JP5576754B2 - Radiation imaging device - Google Patents

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Description

本発明は、放射線撮像装置に関する。 The present invention relates to a radiation imaging equipment.

近年、デジタル放射線撮像装置の分野では、イメージインテンシファイアに代わり、解像度の向上や体積の小型化、画像の歪みを押さえることを目的に光電変換素子を用いた等倍光学系の大面積フラットパネル式のセンサが普及している。光電変換素子を用いた撮像装置には、アモルファスシリコン型、CCD型やCMOS型がある。ガラス基板上のアモルファスシリコン半導体を使った撮像素子は大画面のものを作成しやすい。しかしその反面、アモルファスシリコンは単結晶シリコン半導体基板に比べガラス基板上の半導体基板の微細加工が難しく、その結果、出力信号線の容量が大きくなるなど半導体特性が十分ではない。CCD型の撮像装置については、完全空乏型で高感度であるが、大画面の撮像装置としては電荷転送の転送段数が増加し、消費電力がCMOS型の撮像素子に比較して10倍以上大きくなるなど大画面化には不向きである。   In recent years, in the field of digital radiation imaging devices, instead of image intensifiers, large-area flat panels with equal-magnification optical systems that use photoelectric conversion elements to improve resolution, reduce volume, and suppress image distortion Type sensors are widespread. Imaging devices using photoelectric conversion elements include amorphous silicon type, CCD type, and CMOS type. An image sensor using an amorphous silicon semiconductor on a glass substrate is easy to create a large screen. On the other hand, however, amorphous silicon is difficult to finely process a semiconductor substrate on a glass substrate as compared with a single crystal silicon semiconductor substrate, and as a result, the semiconductor characteristics such as an increase in the capacity of an output signal line are not sufficient. The CCD type imaging device is fully depleted and highly sensitive. However, as a large screen imaging device, the number of charge transfer stages is increased, and the power consumption is more than 10 times larger than that of a CMOS type imaging device. It is not suitable for making a large screen.

特許文献1では、大面積フラットパネル式のセンサとして、光電変換素子にCMOS型撮像素子を使用し、シリコン半導体ウエハからCMOS型の光電変換素子を矩形状に切り出した矩形撮像素子をタイリングすることにより大面積の撮像を実現している。CMOS型撮像素子は、微細加工によりアモルファスシリコンより高速読み出しが可能で、さらに高感度が得られる。またCMOS型撮像素子は、CCD型撮像素子のような電荷転送の転送段数や消費電力に問題が無く大面積化が容易であり、大面積フラットパネル式のセンサとして、優位性が高いことが知られている。   In Patent Document 1, as a large area flat panel sensor, a CMOS image sensor is used as a photoelectric conversion element, and a rectangular image sensor obtained by cutting out a CMOS photoelectric converter from a silicon semiconductor wafer into a rectangular shape is tiled. This realizes large area imaging. The CMOS type image pickup device can be read at higher speed than amorphous silicon by fine processing, and higher sensitivity can be obtained. In addition, the CMOS image sensor has no problem in the number of transfer stages and power consumption of charge transfer like the CCD image sensor, and can be easily increased in area, and is known to be highly advantageous as a large area flat panel sensor. It has been.

また、特許文献2にはCMOS型撮像素子内の画素加算回路と感度切り換えスイッチを使用した構成が開示されている。   Patent Document 2 discloses a configuration using a pixel addition circuit and a sensitivity changeover switch in a CMOS image sensor.

特開2002−344809号公報JP 2002-344809 A 特開2006−319529号公報JP 2006-319529 A

しかしながら、画素加算および感度切り替えを両立したCMOS型撮像素子において、例えば、高感モードで駆動を行った場合に、感度切り換えスイッチはオフとなり、ダイナミックレンジ拡大用容量の片端はオープンとなりフローティングとなる。このフローティングとなっている容量に蓄積される電荷は不定であるため、CMOS型撮像素子の回路内に不定電位が発生する。動画撮影においてCMOS型撮像素子の回路内に不定な電位が存在すると、CMOS型撮像素子回路内のMOSトランジスタのゲート−ソース間の微量リークなどが不定となり、各フレームのランダムノイズとして影響する。   However, in a CMOS image pickup device that achieves both pixel addition and sensitivity switching, for example, when driving in the high sensitivity mode, the sensitivity switching switch is turned off, and one end of the dynamic range expansion capacitor is opened and floats. Since the charge accumulated in the floating capacitor is indefinite, an indefinite potential is generated in the circuit of the CMOS image sensor. If an indefinite potential exists in the CMOS image sensor circuit during moving image shooting, a small amount of leak between the gate and the source of the MOS transistor in the CMOS image sensor circuit becomes indeterminate, which affects random noise in each frame.

また、CMOS型撮像素子はオフセット値を持ち、光を照射しなくともゼロでない値を各画素が光信号として出力する。光を照射しないで取得した光信号データをCMOS型撮像素子の固定パターンノイズ(FPN)パターンとし、動画像を取得する際に得た光信号データからFPNパターンを減算する方法がある。しかし、動画撮影ごとのフローティング部の電位は時間と共に変化するため、FPNパターンを撮影以前に取得したCMOS型撮像素子内のフローティング部の電位と、実際に動画像を取得した際のフローティング部の電位にも差が生じる。これが原因で、FPNパターンと、FPN補正を行う動画像データにフローティング部の不定電位に起因するノイズ成分の差が生じ、正しいFPN補正を行うことができない。   Further, the CMOS image sensor has an offset value, and each pixel outputs a non-zero value as an optical signal even if it is not irradiated with light. There is a method of subtracting the FPN pattern from the optical signal data obtained when acquiring a moving image, using optical signal data acquired without irradiating light as a fixed pattern noise (FPN) pattern of a CMOS image sensor. However, since the potential of the floating portion for each moving image changes with time, the potential of the floating portion in the CMOS image sensor obtained before capturing the FPN pattern and the potential of the floating portion when the moving image is actually acquired. There is also a difference. For this reason, a difference in noise component due to an indefinite potential of the floating portion occurs between the FPN pattern and the moving image data to be subjected to FPN correction, and correct FPN correction cannot be performed.

そこで、本発明では、CMOS型撮像素子の画素回路内のフローティング部の不定の電位を固定するために撮像部による撮像前のタイミングにおいて電源の所定の電圧で不定電位を固定する駆動を行う(電位固定駆動)。電位固定駆動により画素回路内のフローティング部の不定電位を固定し、ノイズ成分を低減することを可能にする放射線撮像装置を提供することを目的とする。   Therefore, in the present invention, in order to fix the indefinite potential of the floating part in the pixel circuit of the CMOS type image pickup device, driving is performed to fix the indefinite potential with a predetermined voltage of the power source at the timing before imaging by the imaging unit (potential Fixed drive). An object of the present invention is to provide a radiation imaging apparatus that can fix an indefinite potential of a floating portion in a pixel circuit by fixed potential driving and reduce noise components.

上記の目的を達成する本発明の一つの側面にかかる放射線撮像装置は、
フォトダイオードで発生した電荷に応じた電圧を出力するための画素アンプと、前記電圧に応じた電荷を信号用ホールド容量にサンプルホールドさせるための信号用サンプルホールドスイッチと、前記画素アンプと前記フォトダイオードとの間に所定の電圧を供給するためのスイッチ手段と、各々が有する複数の画素回路が配列された撮像手段と、
前記複数の画素回路に前記信号用ホールド容量に保持された電荷に応じた信号を出力させる撮像を複数回行うように前記複数の画素回路の動作を制御する撮像制御手段と、
時刻を計測する計時手段と、
複数回の前記撮像のうち第1の撮像を行う際に、前記スイッチ手段を動作させるために前記撮像制御手段から制御信号を送信した時刻を記憶する記憶手段と、を備え、
前記画素回路に電圧が供給され、且つ前記撮像の前に、前記撮像制御手段は、前記画素アンプ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させて、前記所定の電圧に応じた電荷を前記信号用ホールド容量にサンプルホールドさせ、
前記第1の撮像の後に第2の撮像を行う際に、前記撮像制御手段は、前記記憶手段に記憶されている時刻から前記計時手段により求められる現在の時刻までの経過時間が閾値時間を超える場合、前記第2の撮像の前に、前記画素アンプ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させ、
前記記憶手段に記憶されている時刻から前記計時手段により求められる現在の時刻までの経過時間が閾値時間以内の場合、前記第2の撮像の前に、前記画素アンプ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させないことを特徴とする。
A radiation imaging apparatus according to one aspect of the present invention that achieves the above object is as follows:
A pixel amplifier for outputting a voltage corresponding to the charge generated in the photodiode; a signal sample-and-hold switch for causing the signal hold capacitor to sample and hold the charge corresponding to the voltage; and the pixel amplifier and the photodiode an imaging unit in which a plurality of pixel circuits are arranged, each having a switching means for supplying a predetermined voltage, the between,
Imaging control means for controlling the operations of the plurality of pixel circuits so as to perform imaging a plurality of times for causing the plurality of pixel circuits to output a signal corresponding to the electric charge held in the signal hold capacitor ;
A time measuring means for measuring time;
Storage means for storing a time at which a control signal is transmitted from the imaging control means in order to operate the switch means when performing the first imaging among the plurality of times of imaging ,
A voltage is supplied to the pixel circuit, and before the imaging , the imaging control unit operates the pixel amplifier, the signal sample hold switch, and the switching unit to respond to the predetermined voltage. Sampled and held in the signal hold capacitor,
When the second imaging is performed after the first imaging, the imaging control unit causes the elapsed time from the time stored in the storage unit to the current time obtained by the timing unit to exceed a threshold time In this case, before the second imaging, the pixel amplifier, the signal sample hold switch, and the switch means are operated,
If the elapsed time from the time stored in the storage means to the current time obtained by the time measuring means is within a threshold time, before the second imaging, the pixel amplifier, the signal sample hold switch, The switch means is not operated .

本発明によれば、撮像手段による撮像前のタイミングで電源の所定の電圧で画素回路内のフローティング部の不定の電位を固定し、ノイズ成分を低減することが可能になる。   According to the present invention, it is possible to fix the indefinite potential of the floating portion in the pixel circuit at a predetermined voltage of the power source at a timing before imaging by the imaging unit, and reduce the noise component.

第1の実施形態における画素回路の駆動タイミングを示す図。FIG. 5 is a diagram illustrating driving timing of the pixel circuit according to the first embodiment. 第2の実施形態における画素回路の駆動タイミングを示す図。The figure which shows the drive timing of the pixel circuit in 2nd Embodiment. 第3実施形態にかかる放射線撮像装置の概略的な構成を示す図。The figure which shows schematic structure of the radiation imaging device concerning 3rd Embodiment. 第4実施形態にかかる放射線撮像装置の概略的な構成を示す図。The figure which shows schematic structure of the radiation imaging device concerning 4th Embodiment. 第4実施形態にかかる放射線撮像装置における撮像制御部の駆動手順の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of the drive procedure of the imaging control part in the radiation imaging device concerning 4th Embodiment. CMOS撮像素子の画素回路の構成を例示する図。The figure which illustrates the structure of the pixel circuit of a CMOS image sensor. CMOS撮像素子の画素回路の駆動タイミングチャート。The drive timing chart of the pixel circuit of a CMOS image sensor. (a)CMOS型撮像素子の画素回路における加算回路の構成を例示する図、(b)加算回路で接続されたCMOS型撮像素子の模式的構成図。(A) The figure which illustrates the structure of the addition circuit in the pixel circuit of a CMOS type image sensor, (b) The typical block diagram of the CMOS type image sensor connected by the addition circuit. (a)第1実施形態にかかる放射線撮像装置の構成を例示する図、(b)CMOS型撮像素子の1画素分の画素回路の機能構成を示す図。(A) The figure which illustrates the structure of the radiation imaging device concerning 1st Embodiment, (b) The figure which shows the function structure of the pixel circuit for 1 pixel of a CMOS type image pick-up element.

(第1実施形態)
本発明の実施形態にかかる放射線撮像装置204の構成を図9(a)、(b)に示す。図9(a)に示す放射線撮像装置204は、複数のCMOS型撮像素子202により構成される撮像部210と、複数のCMOS型撮像素子202のそれぞれの動作を制御する撮像制御部201とを有する。図9(b)はCMOS型の光電変換素子を矩形状に切り出した矩形撮像素子のタイリングに用いられるCMOS型撮像素子の1画素分の画素回路の機能構成を示す図である。画素回路を、2次元領域内にm行n列(m、nは2以上の自然数)を配置して撮像部210は構成されている。画素回路のスイッチ部910は、所定の電圧を供給する電源と動作時に接続し非動作時に電源との接続を遮断する。蓄積部920は入力された放射線信号に対応した1画素分の信号を蓄積する。除去部930は蓄積部920に蓄積されている信号からノイズを除去する。保持部940は除去部930によりノイズが除去された信号を保持し、出力することが可能である。加算部950は保持部940で保持されている信号と、隣り合うa個(aは2以上の自然数)の他の画素回路の保持部で保持されている信号との加算処理を行う。撮像制御部201は撮像部210を構成するそれぞれの画素回路の動作を制御することが可能である。撮像部210による撮像前のタイミングで、撮像制御部201は、画素回路を構成するスイッチ部910、蓄積部920、除去部930、保持部940、および加算部950を動作させる。そして、撮像制御部201は、スイッチ部910を介して接続される電源の所定の電圧を、蓄積部920、除去部930、保持部940、および加算部950に設定する(電位固定駆動)。電位固定駆動により、撮像部210の撮像前のタイミングで、電源の所定の電圧で画素回路内の蓄積部920、除去部930、保持部940及び加算部950の不定電位を固定し、ノイズ成分を低減し、固定パターンノイズの補正を精度良く行うことが可能になる。以下、CMOS撮像素子の具体的な回路構成を参照して電位固定駆動を説明する。
(CMOS撮像素子の回路構成例)
図6はCMOS型の光電変換素子を矩形状に切り出した矩形撮像素子のタイリングに用いられるCMOS型撮像素子の1画素分の画素回路の一例を示す図である。図6において、PDは光電変換を行うフォトダイオードである。Cfdは、フォトダイオード(PD)により放射線信号から変換された光信号に応じた電荷を蓄積するフローティングディフュージョン(浮遊拡散領域)の容量である。M2はフローティングディフュージョンに蓄積された電荷を放電させるためのリセットMOSトランジスタ(リセットスイッチ)である。リセットスイッチ(M2)は、動作時において所定の電圧としてリセット電圧(VRES)を供給する第1の電源と接続し、非動作時において、第1の電源との接続を遮断する。
(First embodiment)
The configuration of the radiation imaging apparatus 204 according to the embodiment of the present invention is shown in FIGS. The radiation imaging apparatus 204 illustrated in FIG. 9A includes an imaging unit 210 configured by a plurality of CMOS imaging devices 202 and an imaging control unit 201 that controls the operations of the plurality of CMOS imaging devices 202. . FIG. 9B is a diagram illustrating a functional configuration of a pixel circuit for one pixel of a CMOS image sensor used for tiling a rectangular image sensor obtained by cutting out a CMOS photoelectric conversion element into a rectangular shape. The imaging unit 210 is configured by arranging pixel circuits in m rows and n columns (m and n are natural numbers of 2 or more) in a two-dimensional region. The switch unit 910 of the pixel circuit is connected to a power supply that supplies a predetermined voltage during operation, and disconnects from the power supply during non-operation. The accumulation unit 920 accumulates a signal for one pixel corresponding to the input radiation signal. The removal unit 930 removes noise from the signal accumulated in the accumulation unit 920. The holding unit 940 can hold and output the signal from which noise has been removed by the removing unit 930. The adder 950 performs addition processing of the signal held in the holding unit 940 and the signal held in the holding unit of another pixel circuit adjacent to a (a is a natural number of 2 or more). The imaging control unit 201 can control the operation of each pixel circuit constituting the imaging unit 210. The imaging control unit 201 operates the switch unit 910, the storage unit 920, the removal unit 930, the holding unit 940, and the addition unit 950 that constitute the pixel circuit at a timing before imaging by the imaging unit 210. Then, the imaging control unit 201 sets a predetermined voltage of a power source connected via the switch unit 910 in the storage unit 920, the removal unit 930, the holding unit 940, and the addition unit 950 (potential fixed drive). By fixing the potential, the indeterminate potentials of the storage unit 920, the removal unit 930, the holding unit 940, and the addition unit 950 in the pixel circuit are fixed at a predetermined voltage of the power source at a timing before imaging of the imaging unit 210, and the noise component is The fixed pattern noise can be corrected with high accuracy. The potential fixing drive will be described below with reference to a specific circuit configuration of the CMOS image sensor.
(Circuit configuration example of CMOS image sensor)
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a pixel circuit for one pixel of a CMOS image sensor used for tiling a rectangular image sensor obtained by cutting out a CMOS photoelectric conversion element into a rectangular shape. In FIG. 6, PD is a photodiode that performs photoelectric conversion. Cfd is a capacitance of a floating diffusion (floating diffusion region) that accumulates electric charges according to an optical signal converted from a radiation signal by a photodiode (PD). M2 is a reset MOS transistor (reset switch) for discharging the charge accumulated in the floating diffusion. The reset switch (M2) is connected to a first power supply that supplies a reset voltage (VRES) as a predetermined voltage during operation, and is disconnected from the first power supply during non-operation.

M1は高ダイナミックレンジモードと高感度モードとを切り換え、設定するための感度切り換え用MOSトランジスタ(感度切り換えスイッチ)である。C1はダイナミックレンジ拡大用の容量であり、感度切り換えスイッチ(M1)をオンすると電荷の蓄積が可能となる。感度切り換えスイッチ(M1)をオンすると電荷蓄積部(フローティングディフュージョン)の容量(Cfd)が増え、感度は低くなるがダイナミックレンジを拡大することができる。例えば、高感度が必要な透視撮像時には感度切り換えスイッチ(M1)をオフし、高ダイナミックレンジが必要なDSA撮像時などには感度切り換えスイッチ(M1)をオンする。M4はソースフォロアとして動作する増幅MOSトランジスタ(第1の画素アンプ)である。M3は第1の画素アンプ(M4)を動作状態とさせるための選択MOSトランジスタ(選択スイッチ1)である。   M1 is a sensitivity switching MOS transistor (sensitivity switching switch) for switching and setting between the high dynamic range mode and the high sensitivity mode. C1 is a capacity for expanding the dynamic range. When the sensitivity changeover switch (M1) is turned on, charge can be accumulated. When the sensitivity changeover switch (M1) is turned on, the capacitance (Cfd) of the charge storage unit (floating diffusion) increases, and the dynamic range can be expanded although the sensitivity is lowered. For example, the sensitivity changeover switch (M1) is turned off during fluoroscopic imaging that requires high sensitivity, and the sensitivity changeover switch (M1) is turned on during DSA imaging that requires a high dynamic range. M4 is an amplifying MOS transistor (first pixel amplifier) that operates as a source follower. M3 is a selection MOS transistor (selection switch 1) for bringing the first pixel amplifier (M4) into an operating state.

第1の画素アンプ(M4)の後段には、リセットスイッチ(M2)のオンによるリセット電圧(VRES)との接続で発生するリセットノイズ(kTCノイズ)を除去するクランプ回路(ノイズ除去回路)が設けられている。Cclはクランプ容量で、M5はクランプ用MOSトランジスタ(クランプスイッチ)である。クランプスイッチ(M5)は、動作時において所定の電圧としてクランプ電圧(VCL)を供給する第2の電源と接続し、非動作時において、第2の電源との接続を遮断する。M7はソースフォロアとして動作する増幅MOSトランジスタ(第2の画素アンプ)である。M6は第2の画素アンプ(M7)を動作状態とするための選択MOSトランジスタ(選択スイッチ2)である。   A clamp circuit (noise removal circuit) that removes reset noise (kTC noise) generated by connection with the reset voltage (VRES) when the reset switch (M2) is turned on is provided at the subsequent stage of the first pixel amplifier (M4). It has been. Ccl is a clamp capacitor, and M5 is a clamp MOS transistor (clamp switch). The clamp switch (M5) is connected to a second power supply that supplies a clamp voltage (VCL) as a predetermined voltage during operation, and is disconnected from the second power supply during non-operation. M7 is an amplification MOS transistor (second pixel amplifier) that operates as a source follower. M6 is a selection MOS transistor (selection switch 2) for bringing the second pixel amplifier (M7) into an operating state.

第2の画素アンプ(M7)の後段には2つのサンプルホールド回路が設けられている。M8は光信号蓄積用のサンプルホールド回路(第1のサンプルホールド回路)を構成する、サンプルホールド用MOSトランジスタ(サンプルホールドスイッチS)である。CSは光信号用ホールド容量である。M11はノイズ信号蓄積用のサンプルホールド回路(第2のサンプルホールド回路)を構成する、サンプルホールドMOSトランジスタ(サンプルホールドスイッチN)である。CNはノイズ信号用ホールド容量である。M10はソースフォロアとして動作する光信号の増幅MOSトランジスタ(画素アンプS)である。画素アンプS(第3の画素アンプ)は、光信号蓄積用のサンプルホールド回路(第1のサンプルホールド回路)に保持された光信号電圧を出力する。   Two sample-and-hold circuits are provided after the second pixel amplifier (M7). M8 is a sample and hold MOS transistor (sample and hold switch S) that constitutes a sample and hold circuit (first sample and hold circuit) for storing optical signals. CS is an optical signal hold capacitor. M11 is a sample hold MOS transistor (sample hold switch N) that constitutes a sample hold circuit (second sample hold circuit) for accumulating noise signals. CN is a noise signal hold capacitor. M10 is an optical signal amplification MOS transistor (pixel amplifier S) that operates as a source follower. The pixel amplifier S (third pixel amplifier) outputs the optical signal voltage held in the sample hold circuit (first sample hold circuit) for storing optical signals.

M9は画素アンプS(M10)で増幅された光信号をS信号出力線へ出力するためのアナログスイッチ(転送スイッチS)である。M13はソースフォロアとしての動作するノイズ信号の増幅MOSトランジスタ(画素アンプN)である。画素アンプN(第4の画素アンプ)は、ノイズ信号蓄積用のサンプルホールド回路(第2のサンプルホールド回路)に保持されたノイズ信号電圧を出力する。M12は画素アンプN(M13)で増幅されたノイズ信号をN信号出力線へ出力するためのアナログスイッチ(転送スイッチN)である。   M9 is an analog switch (transfer switch S) for outputting the optical signal amplified by the pixel amplifier S (M10) to the S signal output line. M13 is an amplifying MOS transistor (pixel amplifier N) for a noise signal that operates as a source follower. The pixel amplifier N (fourth pixel amplifier) outputs the noise signal voltage held in the sample and hold circuit (second sample and hold circuit) for storing the noise signal. M12 is an analog switch (transfer switch N) for outputting the noise signal amplified by the pixel amplifier N (M13) to the N signal output line.

選択スイッチ1(M3)および選択スイッチ2(M6)のゲートにEN信号入力部が接続され、EN信号入力部から入力されるEN信号により第1の画素アンプ(M4)および第2の画素アンプ(M7)の動作状態が制御される。EN信号がハイレベルの時、第1の画素アンプ(M4)、第2の画素アンプ(M7)は同時に動作状態となる。一方、EN信号がローレベルの時、第1の画素アンプ(M4)、第2の画素アンプ(M7)は同時に停止状態となる。WIDE信号入力部は、感度切り換えスイッチ(M1)のゲートに接続され、WIDE信号入力部から入力されるWIDE信号により感度の切換が制御される。WIDE信号がローレベルの時は、感度切り換えスイッチがオフし高感度モードとなる。一方、WIDE信号がハイレベルの時は、感度切り換えスイッチがオンし低感度モードとなる。PRES信号は、リセットスイッチ(M2)をオンしてフローティングディフュージョン容量(Cfd)に蓄積された電荷を放電させるリセット信号である。PCL信号はクランプスイッチ(M5)を制御する信号で、PCL信号がハイレベルのときクランプスイッチ(M5)がオンし、クランプ容量(Ccl)を基準電圧としてのクランプ電圧(VCL)にセットする。TS信号は光信号サンプルホールド制御信号で、TS信号をハイレベルとし、サンプルホールドスイッチS(M8)をオンすることにより、この光信号が第2の画素アンプ(M7)を通して容量CSに一括転送される。   An EN signal input unit is connected to the gates of the selection switch 1 (M3) and the selection switch 2 (M6), and the first pixel amplifier (M4) and the second pixel amplifier ( The operating state of M7) is controlled. When the EN signal is at a high level, the first pixel amplifier (M4) and the second pixel amplifier (M7) are simultaneously operated. On the other hand, when the EN signal is at a low level, the first pixel amplifier (M4) and the second pixel amplifier (M7) are simultaneously stopped. The WIDE signal input unit is connected to the gate of the sensitivity switching switch (M1), and sensitivity switching is controlled by the WIDE signal input from the WIDE signal input unit. When the WIDE signal is at a low level, the sensitivity selector switch is turned off and the high sensitivity mode is set. On the other hand, when the WIDE signal is at a high level, the sensitivity changeover switch is turned on to enter the low sensitivity mode. The PRES signal is a reset signal that turns on the reset switch (M2) to discharge the charge accumulated in the floating diffusion capacitor (Cfd). The PCL signal is a signal for controlling the clamp switch (M5). When the PCL signal is at a high level, the clamp switch (M5) is turned on, and the clamp capacitor (Ccl) is set to a clamp voltage (VCL) as a reference voltage. The TS signal is an optical signal sample / hold control signal. When the TS signal is set to high level and the sample / hold switch S (M8) is turned on, the optical signal is collectively transferred to the capacitor CS through the second pixel amplifier (M7). The

次いで、全画一括でTS信号をローレベルとし、サンプルスイッチS(M8)をオフすることで、サンプルホールド回路への光信号電荷の保持を終了する。TN信号はノイズ信号サンプルホールド制御信号で、TN信号をハイレベルとし、サンプルホールドスイッチN(M11)をオンすることでこのノイズ信号が第2の画素アンプ(M7)を通して容量CNに一括転送される。次いで、全画一括でTN信号をローレベルとし、サンプルスイッチN(M11)をオフすることで、サンプルホールド回路へのノイズ信号電荷の保持を終了する。   Next, the TS signal is set to the low level for all the images at the same time, and the sample switch S (M8) is turned off to complete the holding of the optical signal charge in the sample hold circuit. The TN signal is a noise signal sample / hold control signal. When the TN signal is set to a high level and the sample / hold switch N (M11) is turned on, the noise signal is collectively transferred to the capacitor CN through the second pixel amplifier (M7). . Next, the TN signal is set to the low level for all the images and the sample switch N (M11) is turned off, whereby the holding of the noise signal charge in the sample hold circuit is completed.

(CMOS撮像素子の駆動例)
図7は図6の画素回路において電位固定駆動が実行されない場合の、動画撮像時の駆動タイミングを例示するタイミングチャートである。以下、動画像撮像において、光信号用ホールド容量CSおよびノイズ信号用ホールド容量CNに電荷がサンプルホールドされるまでの制御信号の立ち上がり、立下りのタイミングについて図7を用いて説明する。
(Example of driving a CMOS image sensor)
FIG. 7 is a timing chart illustrating drive timing at the time of moving image capturing when the potential fixing drive is not executed in the pixel circuit of FIG. Hereinafter, the timing of rising and falling of the control signal until charge is sampled and held in the optical signal hold capacitor CS and the noise signal hold capacitor CN in moving image capturing will be described with reference to FIG.

時刻(t0)で蓄積開始駆動が始まる。蓄積開始駆動はリセットとクランプを行う駆動である。まず、時刻(t0)でEN信号をローレベルからハイレベルにし、第1の画素アンプ(M4)、第2の画素アンプ(M7)を動作状態にする。次に、信号PRESをローレベルからハイレベルにし、フォトダイオードPDをリセット電圧(VRES)に接続してリッセットを行う。次に、PRES信号をハイレベルからローレベルにしてリセットを終了し、クランプ容量(Ccl)の第1の画素アンプ(M4)側にリセット電圧(VRES)がセットされる。   Accumulation start driving starts at time (t0). The accumulation start drive is a drive for resetting and clamping. First, at time (t0), the EN signal is changed from a low level to a high level, and the first pixel amplifier (M4) and the second pixel amplifier (M7) are set in an operating state. Next, the signal PRES is changed from the low level to the high level, and the photodiode PD is connected to the reset voltage (VRES) to perform resetting. Next, the PRES signal is changed from the high level to the low level to complete the reset, and the reset voltage (VRES) is set on the first pixel amplifier (M4) side of the clamp capacitor (Ccl).

次に、時刻(t1)でPCL信号をローレベルからハイレベルにすることによりクランプスイッチ(M5)をオンし、クランプ容量(Ccl)の第2の画素アンプ(M7)側にクランプ電圧(VCL)がセットされる。時刻(t2)でPCL信号をハイレベルからローレベルにすることによりクランプスイッチ(M5)をオフにする。クランプ電圧(VCL)と、リセット電圧(VRES)との差分の電圧に応じた電荷がクランプ容量(Ccl)に蓄積されクランプが終了する。時刻(t2)で蓄積開始駆動が終了する。   Next, the clamp switch (M5) is turned on by changing the PCL signal from the low level to the high level at time (t1), and the clamp voltage (VCL) is applied to the second pixel amplifier (M7) side of the clamp capacitor (Ccl). Is set. At time (t2), the clamp switch (M5) is turned off by changing the PCL signal from the high level to the low level. The electric charge corresponding to the voltage difference between the clamp voltage (VCL) and the reset voltage (VRES) is accumulated in the clamp capacitor (Ccl), and the clamp is finished. The accumulation start drive ends at time (t2).

蓄積開始駆動を終了し、時刻(t2)から光電変換部(フローティングディフュージョン容量(Cfd))の蓄積が開始される。タイリングされたCMOS型撮像素子は、動画撮像時に撮像素子間、走査線間の時間的スイッチングのずれにより発生する画像ズレを防止するために、タイリングされた各撮像素子の全ての画素を一括して同一のタイミング、同一の期間で蓄積開始駆動が行われる。その後一括してフォトダイオードPDで発生した光電荷がフローティングディフュージョン容量(Cfd)に蓄積される。時刻(t0)から(t2)までの蓄積開始駆動において、リセットスイッチ(M2)のオンによるリセット電圧(VRES)との接続でリセットノイズ(kTCノイズ)が発生する。このリセットノイズ(kTCノイズ)は、クランプ回路のクランプ容量(Ccl)の第2の画素アンプ(M7)側がクランプ電圧(VCL)で固定されていることによりリセットノイズは除去される。   The accumulation start drive is terminated, and accumulation of the photoelectric conversion unit (floating diffusion capacitor (Cfd)) is started from time (t2). The tiled CMOS image sensor collects all the pixels of each tiled image sensor at one time in order to prevent image misalignment caused by temporal switching deviation between image sensors and between scanning lines during moving image capturing. Thus, the accumulation start drive is performed at the same timing and the same period. Thereafter, photoelectric charges generated in the photodiode PD are accumulated in the floating diffusion capacitor (Cfd). In the accumulation start drive from time (t0) to (t2), reset noise (kTC noise) is generated by connection with the reset voltage (VRES) by turning on the reset switch (M2). The reset noise (kTC noise) is eliminated by fixing the clamp capacitor (Ccl) of the clamp circuit on the second pixel amplifier (M7) side with the clamp voltage (VCL).

次に、時刻(t3)で初期駆動が始まる。EN信号をローレベルからハイレベルにして、選択スイッチ1(M3)、選択スイッチ2(M6)をオンする。これによりフローティングディフュージョン容量(Cfd)に蓄積されている電荷は電荷/電圧変換され、変換された電圧はソースフォロアとして動作する第1の画素アンプ(M4)からクランプ容量(Ccl)に出力される。第1の画素アンプ(M4)から出力される電圧はリセットノイズを含む。クランプ回路によりリセット時に第2の画素アンプ(M7)側をクランプ電圧(VCL)にセットしているので、リセットノイズを含む電圧は、リセットノイズが除去された光信号電圧となって第2の画素アンプ(M7)に出力される。次に、サンプルホールド制御信号TSをハイレベルとし、サンプルホールドスイッチS(M8)をオンすることで、光信号電圧は第2の画素アンプ(M7)を通して光信号用ホールド容量(CS)に一括転送される。   Next, initial driving starts at time (t3). The EN signal is changed from low level to high level, and the selection switch 1 (M3) and the selection switch 2 (M6) are turned on. As a result, the charge accumulated in the floating diffusion capacitor (Cfd) is subjected to charge / voltage conversion, and the converted voltage is output from the first pixel amplifier (M4) operating as a source follower to the clamp capacitor (Ccl). The voltage output from the first pixel amplifier (M4) includes reset noise. Since the second pixel amplifier (M7) side is set to the clamp voltage (VCL) at the time of reset by the clamp circuit, the voltage including the reset noise becomes an optical signal voltage from which the reset noise is removed, and the second pixel. It is output to the amplifier (M7). Next, the sample hold control signal TS is set to the high level and the sample hold switch S (M8) is turned on, so that the optical signal voltage is transferred to the optical signal hold capacitor (CS) through the second pixel amplifier (M7). Is done.

時刻(t4)でTS信号をハイレベルからローレベルとし、サンプルホールドスイッチS(M8)をオフすることで、光信号用ホールド容量(CS)に光信号電圧に対応した応じた電荷(光信号電荷)がサンプルホールドされる。   By changing the TS signal from the high level to the low level at time (t4) and turning off the sample hold switch S (M8), the optical signal hold capacitor (CS) has a charge corresponding to the optical signal voltage (optical signal charge). ) Is sampled and held.

次に時刻(t4)でリセット信号PRESをローレベルからハイレベルとし、リセットスイッチ(M2)をオンし、フローティングディフュージョン容量(Cfd)をリセット電圧(VRES)に応じた電位でリセットする。時刻(t5)でリセット信号PRESをハイレベルからローレベルとしてリセットを完了する。このとき、クランプ容量(Ccl)の第1の画素アンプ(M4)側にリセット電圧(VRES)がセットされる。   Next, at time (t4), the reset signal PRES is changed from low level to high level, the reset switch (M2) is turned on, and the floating diffusion capacitor (Cfd) is reset at a potential corresponding to the reset voltage (VRES). At time (t5), the reset signal PRES is changed from the high level to the low level to complete the reset. At this time, the reset voltage (VRES) is set on the first pixel amplifier (M4) side of the clamp capacitor (Ccl).

次に時刻(t5)でPCL信号をローレベルからハイレベルとする。これによりクランプスイッチ(M5)がオンし、クランプ容量(Ccl)の第2の画素アンプ(M7)側にクランプ電圧(VCL)がセットされる。クランプ電圧(VCL)と、リセット電圧(VRES)との差分の電圧に応じた電荷がクランプ容量(Ccl)に蓄積される。   Next, at time (t5), the PCL signal is changed from low level to high level. As a result, the clamp switch (M5) is turned on, and the clamp voltage (VCL) is set on the second pixel amplifier (M7) side of the clamp capacitor (Ccl). Charges corresponding to the voltage difference between the clamp voltage (VCL) and the reset voltage (VRES) are accumulated in the clamp capacitor (Ccl).

また時刻(t5)において、TN信号をローレベルからハイレベルとし、サンプルホールドスイッチN(M11)をオンすることで、クランプ電圧(VCL)にセットされた時に生じたノイズ信号電圧をノイズ信号用ホールド容量(CN)に転送する。   At time (t5), the TN signal is changed from low level to high level, and the sample hold switch N (M11) is turned on, so that the noise signal voltage generated when the clamp voltage (VCL) is set is held for the noise signal. Transfer to capacity (CN).

時刻(t6)で、TN信号をハイレベルからローレベルとし、サンプルホールドスイッチN(M11)をオフすることで、ノイズ信号のノイズ信号用ホールド用容量(CN)にノイズ信号電圧に応じた電荷(ノイズ信号電荷)がサンプルホールドされる。また、時刻(t6)においてEN信号、PCL信号をハイレベルからローレベルとし、初期駆動を終了する。初期駆動は全画素を一括して行う。   At time (t6), the TN signal is changed from the high level to the low level, and the sample hold switch N (M11) is turned off, so that the noise signal holding capacitor (CN) of the noise signal has a charge (in accordance with the noise signal voltage). Noise signal charge) is sampled and held. At time (t6), the EN signal and the PCL signal are changed from the high level to the low level, and the initial driving is finished. Initial driving is performed for all pixels at once.

初期駆動の後、時刻(t7)にて再び蓄積開始駆動が行われ、現フレーム(Nフレーム(N:自然数))の次のフレーム(N+1フレーム)におけるフォトダイオードPDの蓄積を開始させる。光信号およびノイズ信号の走査は画素ごとに行われる。転送スイッチS(M9)と、転送スイッチN(M12)とをオンすることにより、光信号用ホールド容量(CS)の電荷に応じた光信号電圧と、ノイズ信号用ホールド用容量(CN)の電荷に応じたノイズ信号電圧とが出力される。光信号用ホールド容量(CS)の電荷に応じた光信号電圧は、画素アンプS(M10)を介して光信号出力線に転送される。ノイズ信号用ホールド用容量(CN)の電荷に応じたノイズ信号電圧は、画素アンプN(M13)を介して、ノイズ信号出力線に転送される。   After the initial drive, accumulation start drive is performed again at time (t7), and accumulation of the photodiode PD in the next frame (N + 1 frame) of the current frame (N frame (N: natural number)) is started. The scanning of the optical signal and the noise signal is performed for each pixel. By turning on the transfer switch S (M9) and the transfer switch N (M12), the optical signal voltage corresponding to the charge of the optical signal hold capacitor (CS) and the charge of the noise signal hold capacitor (CN) And a noise signal voltage corresponding to the output. The optical signal voltage corresponding to the charge of the optical signal hold capacitor (CS) is transferred to the optical signal output line via the pixel amplifier S (M10). The noise signal voltage corresponding to the charge of the noise signal holding capacitor (CN) is transferred to the noise signal output line via the pixel amplifier N (M13).

光信号出力線に転送された光信号電圧と、ノイズ信号出力線に転送されたノイズ信号電圧とは、光信号出力線とノイズ信号出力線とに接続された不図示の作動入力アンプで減算され、両者の差分が求められる。ノイズ信号電圧は、例えば、画素アンプでの熱ノイズ、1/fノイズ、温度差、プロセスのばらつきによる固定パターンノイズ(FPN)に対応するものである。作動入力アンプでの減算処理により光信号電圧から固定パターンノイズ(FPN)が除去される。現フレームに関するノイズ信号電圧および光信号電圧の転送可能な期間は、サンプルホールド終了時(t6)から、次のフレームに関する光信号電荷がサンプルホールドされる時刻(t9)までの間である。   The optical signal voltage transferred to the optical signal output line and the noise signal voltage transferred to the noise signal output line are subtracted by an operation input amplifier (not shown) connected to the optical signal output line and the noise signal output line. The difference between the two is obtained. The noise signal voltage corresponds to fixed pattern noise (FPN) due to, for example, thermal noise, 1 / f noise, temperature difference, and process variation in the pixel amplifier. The fixed pattern noise (FPN) is removed from the optical signal voltage by the subtraction processing in the operation input amplifier. The period during which the noise signal voltage and the optical signal voltage relating to the current frame can be transferred is from the time when the sample and hold ends (t6) to the time (t9) when the optical signal charge relating to the next frame is sampled and held.

図6の回路において、フローティングディフュージョン容量(Cfd)の蓄積開始のタイミングは、図7の時刻(t2)や時刻(t8)でPCL信号をローレベルにしてクランプが完了した時点である。また蓄積終了のタイミングは、時刻(t4)や時刻(t10)でTS信号をハイレベルからローレベルにして光信号電圧をサンプルホールドした時点である。光信号電圧およびノイズ信号電圧をサンプルホールドする初期駆動701と初期駆動702との間に、蓄積時間開始のための蓄積開始駆動または初期駆動を挿入することにより、蓄積時間を制限することができる。図7の例では時刻(t7)のタイミングで蓄積開始駆動703を挿入している。光信号電圧のサンプルホールドの周期は時刻(t4)から時刻(t10)までであるのに対し、蓄積時間を、時刻(t2)から時刻(t4)までと同じ時間である時刻(t8)から時刻(t10)までの時間に制限している。   In the circuit of FIG. 6, the timing for starting the accumulation of the floating diffusion capacitor (Cfd) is when the clamping is completed by setting the PCL signal to the low level at time (t2) or time (t8) in FIG. Further, the accumulation end timing is the time when the optical signal voltage is sampled and held at the time (t4) or the time (t10) when the TS signal is changed from the high level to the low level. The storage time can be limited by inserting a storage start drive or an initial drive for starting the storage time between the initial drive 701 and the initial drive 702 that sample and hold the optical signal voltage and the noise signal voltage. In the example of FIG. 7, the storage start drive 703 is inserted at the timing of time (t7). The optical signal voltage sample and hold period is from time (t4) to time (t10), while the storage time is the same time from time (t2) to time (t4). The time is limited to (t10).

画素回路は光信号蓄積用のサンプルホールド回路(第1のサンプルホールド回路)と、他の画素回路の光信号蓄積用のサンプルホールド回路(第3のサンプルホールド回路)とを接続し光信号電圧を加算する第1の加算回路を有する。画素回路はノイズ信号のサンプルホールド回路(第2のサンプルホールド回路)と、他の画素回路のノイズ信号のサンプルホールド回路(第4のサンプルホールド回路)とを接続しノイズ信号電圧を加算する第2の加算回路を有する。   The pixel circuit connects an optical signal storage sample-hold circuit (first sample-hold circuit) and an optical signal storage sample-hold circuit (third sample-hold circuit) of another pixel circuit to generate an optical signal voltage. A first adding circuit for adding is provided. The pixel circuit connects a noise signal sample and hold circuit (second sample and hold circuit) to a noise signal sample and hold circuit (fourth sample and hold circuit) of another pixel circuit, and adds a noise signal voltage. The addition circuit is provided.

図8(a)はCMOS型撮像素子の画素回路における加算回路(第1の加算回路、第2の加算回路)の構成を例示する図である。図8(a)では、2回路分の画素回路801、802を簡略表示した回路構成に加算回路(第1の加算回路、第2の加算回路)を挿入した回路構成を例示している。フォトダイオード160、161のそれぞれは図6のフォトダイオードPDにあたる。162、163、166、167、172および173はそれぞれの回路においてソースフォロアとして動作する増幅MOSトランジスタ(画素アンプ)である。画素アンプ162、163は図6の第1の画素アンプ(M4)にあたり、画素アンプ166、167は図6の第2の画素アンプ(M7)にあたる。画素アンプ172、173は図6の画素アンプS(M10:第3の画素アンプ)、画素アンプN(M13:第4の画素アンプ)にあたる。164、165はそれぞれの画素回路のクランプ容量であり、図6のクランプ容量(Ccl)にあたる。168、169は、それぞれの画素回路の光信号電圧もしくはノイズ信号電圧を蓄積するためのサンプルホールド回路を構成するサンプルMOSトランジスタ(サンプルホールドスイッチ)である。サンプルホールドスイッチ168、169は図6のサンプルホールドスイッチS(M8)もしくはサンプルホールドスイッチN(M11)にあたる。170、171は光信号用ホールド容量もしくはノイズ信号用ホールド容量であり、図6の光信号用ホールド容量(CS)もしくはノイズ信号用ホールド容量(CN)にあたる。加算回路150は、画素回路801側の光信号用ホールド容量(ノイズ信号用ホールド容量)と加算回路151とを接続している。加算回路151は、画素回路802側の光信号用ホールド容量(ノイズ信号用ホールド容量)と加算回路150を接続している。簡略表示のため、図8(a)において加算回路150、151は夫々1つの回路素子として示されているが、光信号電圧を加算する第1の加算回路と、ノイズ信号電圧を加算する第2の加算回路に対応する回路素子が配置される。   FIG. 8A is a diagram illustrating the configuration of an adder circuit (first adder circuit, second adder circuit) in a pixel circuit of a CMOS image sensor. FIG. 8A illustrates a circuit configuration in which an addition circuit (a first addition circuit and a second addition circuit) is inserted into a circuit configuration in which pixel circuits 801 and 802 for two circuits are simply displayed. Each of the photodiodes 160 and 161 corresponds to the photodiode PD in FIG. Reference numerals 162, 163, 166, 167, 172, and 173 denote amplification MOS transistors (pixel amplifiers) that operate as source followers in the respective circuits. The pixel amplifiers 162 and 163 correspond to the first pixel amplifier (M4) in FIG. 6, and the pixel amplifiers 166 and 167 correspond to the second pixel amplifier (M7) in FIG. The pixel amplifiers 172 and 173 correspond to the pixel amplifier S (M10: third pixel amplifier) and the pixel amplifier N (M13: fourth pixel amplifier) in FIG. Reference numerals 164 and 165 denote clamp capacitors of the respective pixel circuits, which correspond to the clamp capacitors (Ccl) in FIG. Reference numerals 168 and 169 denote sample MOS transistors (sample hold switches) constituting a sample hold circuit for accumulating the optical signal voltage or noise signal voltage of each pixel circuit. The sample hold switches 168 and 169 correspond to the sample hold switch S (M8) or the sample hold switch N (M11) in FIG. Reference numerals 170 and 171 denote optical signal hold capacitors or noise signal hold capacitors, which correspond to the optical signal hold capacitor (CS) or noise signal hold capacitor (CN) in FIG. The adder circuit 150 connects the optical signal hold capacitor (noise signal hold capacitor) on the pixel circuit 801 side and the adder circuit 151. The adder circuit 151 connects the adder circuit 150 to the optical signal hold capacitor (noise signal hold capacitor) on the pixel circuit 802 side. For the sake of simplicity, the adder circuits 150 and 151 are shown as one circuit element in FIG. 8A, but a first adder circuit that adds an optical signal voltage and a second adder that adds a noise signal voltage. Circuit elements corresponding to the adder circuit are arranged.

図8(b)は加算回路(第1の加算回路、第2の加算回路)で接続されたCMOS型撮像素子の模式的構成を示す図であり、図6に示した画素回路を矩形“□”で示している。図8(a)の点線で囲まれた部分と図8(b)の点線で囲まれた部分とは同じ回路部を示している。   FIG. 8B is a diagram showing a schematic configuration of a CMOS type image sensor connected by an adder circuit (first adder circuit, second adder circuit). The pixel circuit shown in FIG. ". A portion surrounded by a dotted line in FIG. 8A and a portion surrounded by a dotted line in FIG. 8B indicate the same circuit portion.

図8(b)に示すように、隣り合う画素ごとの光信号用ホールド容量もしくはノイズ信号用ホールド容量を接続し、画素加算を行う。これにより画素情報を捨てることなく走査する画素を減らし、より高速なフレームレートでの信号の読み出しを可能としている。加算信号をLowレベル(ローレベル)からHighレベル(ハイレベル)にすると、加算信号ラインに接続された加算用のMOSトランジスタも全て動作可能(ON)になる。図8(b)において、ADD信号をハイレベル、ADD1信号をローレベルにすると、画素サイズ2×2の画素加算を行うことができる。また、ADD信号をハイレベル、ADD1信号をハイレベルにすると4×4の画素加算を行うことができる。さらに、ADD信号、ADD信号1、およびADD2信号をハイレベルにすると8×8の画素加算を行うことができる。   As shown in FIG. 8B, an optical signal hold capacitor or a noise signal hold capacitor for each adjacent pixel is connected to perform pixel addition. As a result, the number of pixels to be scanned is reduced without discarding the pixel information, and signals can be read at a higher frame rate. When the addition signal is changed from the low level (low level) to the high level (high level), all of the addition MOS transistors connected to the addition signal line are operable (ON). In FIG. 8B, when the ADD signal is at a high level and the ADD1 signal is at a low level, pixel addition with a pixel size of 2 × 2 can be performed. Further, when the ADD signal is set to the high level and the ADD1 signal is set to the high level, 4 × 4 pixel addition can be performed. Further, when the ADD signal, the ADD signal 1 and the ADD2 signal are set to the high level, 8 × 8 pixel addition can be performed.

(CMOS撮像素子の駆動制御)
次に、本発明の特徴となる電位固定駆動を行なうCMOS撮像素子の駆動制御を図1のタイミングチャートの参照により説明する。図1は、図6および図8に示すCMOS型撮像素子の1画素分の画素回路において、動画撮像時の1枚目から2枚目の撮像を行う際の駆動波形のタイミングチャートを示している。画素回路の設定は、高感度で、画素加算なしであり、図1の駆動をCMOS型撮像素子内にて全画素一括で行うものとする。
(Drive control of CMOS image sensor)
Next, drive control of a CMOS image sensor that performs fixed potential drive, which is a feature of the present invention, will be described with reference to the timing chart of FIG. FIG. 1 shows a timing chart of drive waveforms when the first to second images are taken at the time of moving image capturing in the pixel circuit for one pixel of the CMOS image sensor shown in FIGS. . The pixel circuit is set with high sensitivity and no pixel addition, and the driving shown in FIG. 1 is performed for all pixels in a CMOS image sensor.

図1のタイミングチャートを時系列に説明する。本実施形態では、CMOS型撮像素子の画素回路内のフローティング部の不定の電位を固定するために撮像部による撮像前のタイミングにおいて電源の所定の電圧で不定電位を固定する駆動を行う(電位固定駆動)。まず、時刻(t11)において、EN信号、TS信号、PRES信号、PCL信号、TN信号、WIDE信号をローレベルからハイレベルとする。これによりリセットスイッチ(M2)、クランプスイッチ(M5)、サンプルホールドスイッチS(M8)、サンプルホールドスイッチN(M11)、感度切り換えスイッチ(M1)、選択スイッチ1(M3)、選択スイッチ2(M6)がオンする。図6において、画素回路の入力側から転送スイッチS(M9)、転送スイッチN(M12)までの出力側のフローティング部にそれぞれ安定した電位が印加される。画素回路の全てのフローティング部をそれぞれ安定した電位で固定化した後に、時刻(t12)において、EN信号、TS信号、PRES信号、PCL信号、TN信号、WIDE信号をハイレベルからローレベルとする。これによりリセットスイッチ(M2)、クランプスイッチ(M5)、サンプルホールドスイッチS(M8)、サンプルホールドスイッチN(M11)、感度切り換えスイッチ(M1)、選択スイッチ1(M3)、選択スイッチ2(M6)がオフする。これにより図6において、画素回路の入力側から転送スイッチS(M9)、転送スイッチN(M12)までの出力側の全てのフローティング部はそれぞれ安定した電位で固定(クランプ)される。   The timing chart of FIG. 1 will be described in time series. In the present embodiment, in order to fix the indefinite potential of the floating portion in the pixel circuit of the CMOS type image sensor, driving is performed to fix the indeterminate potential with a predetermined voltage of the power supply at the timing before imaging by the imaging unit (potential fixing). Drive). First, at time (t11), the EN signal, TS signal, PRES signal, PCL signal, TN signal, and WIDE signal are changed from low level to high level. Accordingly, the reset switch (M2), clamp switch (M5), sample hold switch S (M8), sample hold switch N (M11), sensitivity changeover switch (M1), selection switch 1 (M3), selection switch 2 (M6) Turns on. In FIG. 6, stable potentials are respectively applied to the floating portions on the output side from the input side of the pixel circuit to the transfer switch S (M9) and the transfer switch N (M12). After fixing all the floating portions of the pixel circuit with stable potentials, at time (t12), the EN signal, TS signal, PRES signal, PCL signal, TN signal, and WIDE signal are changed from high level to low level. Accordingly, the reset switch (M2), clamp switch (M5), sample hold switch S (M8), sample hold switch N (M11), sensitivity changeover switch (M1), selection switch 1 (M3), selection switch 2 (M6) Turns off. Thereby, in FIG. 6, all floating parts on the output side from the input side of the pixel circuit to the transfer switch S (M9) and the transfer switch N (M12) are fixed (clamped) at a stable potential.

更に、時刻(t12)において、ADD、ADD1、ADD2をローレベルからハイレベルにし、加算回路150、加算回路151(図8(b))をオンさせる。これにより、図8(b)に示す画素回路の全てのフローティング部に安定した電位が設定される。図8(b)に示す画素回路の全てのフローティング部を安定した電位で固定化するために、時刻(t13)において、ADD、ADD1、ADD2をハイレベルからローレベルとする。これにより図8(b)に示す画素回路のフローティング部は安定した電位に固定される。CMOS型撮像素子内の画素回路の全てのフローティング部が、固定された電位になる。図1の時刻(t11)から時刻(t12)までに電位固定駆動が実行される。   Further, at time (t12), ADD, ADD1, and ADD2 are changed from the low level to the high level, and the addition circuit 150 and the addition circuit 151 (FIG. 8B) are turned on. Thereby, a stable potential is set in all the floating portions of the pixel circuit shown in FIG. In order to fix all the floating portions of the pixel circuit shown in FIG. 8B with a stable potential, ADD, ADD1, and ADD2 are changed from the high level to the low level at time (t13). As a result, the floating portion of the pixel circuit shown in FIG. 8B is fixed at a stable potential. All floating portions of the pixel circuit in the CMOS image sensor have a fixed potential. The potential fixing drive is executed from time (t11) to time (t12) in FIG.

次に蓄積開始駆動を行う。蓄積開始駆動は、図1の時刻(t14)から時刻(t16)までのリセットとクランプとを行う駆動である。まず、時刻(t14)でEN信号をローレベルからハイレベルにし、第1の画素アンプ(M4)、第2の画素アンプ(M7)を動作状態にする。次にリセット信号(PRES信号)をローレベルからハイレベルにしてリセットスイッチがオンすると、フローティングディフュージョン容量(Cfd)はリセット電圧(VRES)との接続によりリセットされる。時刻(t15)において、PRES信号をハイレベルからローレベルにしてリセットを終了し、クランプ容量(Ccl)の第1の画素アンプ(M4)側にリセット電圧(VRES)がセットされる。   Next, accumulation start driving is performed. The accumulation start drive is a drive that performs reset and clamp from time (t14) to time (t16) in FIG. First, at time (t14), the EN signal is changed from a low level to a high level, and the first pixel amplifier (M4) and the second pixel amplifier (M7) are set in an operating state. Next, when the reset signal (PRES signal) is changed from low level to high level and the reset switch is turned on, the floating diffusion capacitor (Cfd) is reset by connection with the reset voltage (VRES). At time (t15), the PRES signal is changed from the high level to the low level to complete the reset, and the reset voltage (VRES) is set on the first pixel amplifier (M4) side of the clamp capacitor (Ccl).

時刻(t15)において、PCL信号をローレベルからハイレベルにすることによりクランプスイッチ(M5)をオンし、クランプ容量(Ccl)の第2の画素アンプ(M7)側にクランプ電圧(VCL)がセットされる。   At time (t15), the clamp switch (M5) is turned on by changing the PCL signal from the low level to the high level, and the clamp voltage (VCL) is set on the second pixel amplifier (M7) side of the clamp capacitor (Ccl). Is done.

時刻(t16)でPCL信号をハイレベルからローレベルにすると、クランプスイッチ(M5)はオフし、クランプ電圧(VCL)と、リセット電圧(VRES)との差分の電圧に応じた電荷がクランプ容量(Ccl)に蓄積されクランプが終了する。時刻(t16)で蓄積開始駆動は終了する。   When the PCL signal is changed from the high level to the low level at time (t16), the clamp switch (M5) is turned off, and the electric charge corresponding to the difference voltage between the clamp voltage (VCL) and the reset voltage (VRES) is transferred to the clamp capacitor ( Ccl) is accumulated and the clamping is completed. The accumulation start drive ends at time (t16).

一方、時刻(t16)からフローティングディフュージョン容量(Cfd)の蓄積が開始される。タイリングされたCMOS型撮像素子は、動画撮像時に撮像素子間、走査線間の時間的スイッチングのずれにより発生する画像ズレを防止するために、タイリングされた各撮像素子の全ての画素を一括して同一のタイミング、同一の期間で蓄積開始駆動が行われる。その後一括してフォトダイオードPDで発生した光電荷がフローティングディフュージョン容量(Cfd)に蓄積される。時刻(t14)から時刻(t16)までの蓄積開始駆動においてリセットスイッチ(M2)のオンによるリセット電圧(VRES)との接続でリセットノイズ(kTCノイズ)が発生する。このリセットノイズ(kTCノイズ)は、クランプ回路のクランプ容量(Ccl)の第2の画素アンプ(M7)側がクランプ電圧(VCL)で固定されていることによりリセットノイズは除去される。   On the other hand, accumulation of the floating diffusion capacitor (Cfd) is started from time (t16). The tiled CMOS image sensor collects all the pixels of each tiled image sensor at one time in order to prevent image misalignment caused by temporal switching deviation between image sensors and between scanning lines during moving image capturing. Thus, the accumulation start drive is performed at the same timing and the same period. Thereafter, photoelectric charges generated in the photodiode PD are accumulated in the floating diffusion capacitor (Cfd). In the accumulation start drive from time (t14) to time (t16), reset noise (kTC noise) is generated by connection with the reset voltage (VRES) by turning on the reset switch (M2). The reset noise (kTC noise) is eliminated by fixing the clamp capacitor (Ccl) of the clamp circuit on the second pixel amplifier (M7) side with the clamp voltage (VCL).

時刻(t17)で始まる初期駆動について説明する。EN信号をローレベルからハイレベルにして、選択スイッチ1(M3)および選択スイッチ2(M6)をオンする。これにより、フローティングディフュージョン容量(Cfd)に蓄積されている電荷は電荷/電圧変換され、変換された電圧はソースフォロアとして動作する第1の画素アンプ(M4)からクランプ容量(Ccl)に出力される。第1の画素アンプ(M4)から出力される電圧はリセットノイズを含むが、第2の画素アンプ(M7)側がクランプ電圧(VCL)で固定されていることによりリセットノイズは除去される。セットノイズが除去された光信号電圧は第2の画素アンプ(M7)に出力される。   The initial drive starting at time (t17) will be described. The EN signal is changed from the low level to the high level, and the selection switch 1 (M3) and the selection switch 2 (M6) are turned on. As a result, the charge accumulated in the floating diffusion capacitor (Cfd) is subjected to charge / voltage conversion, and the converted voltage is output from the first pixel amplifier (M4) operating as a source follower to the clamp capacitor (Ccl). . The voltage output from the first pixel amplifier (M4) includes reset noise, but the reset noise is removed by fixing the second pixel amplifier (M7) side with the clamp voltage (VCL). The optical signal voltage from which the set noise has been removed is output to the second pixel amplifier (M7).

時刻(t17)でサンプルホールド制御信号TSをローレベルからハイレベルとし、サンプルホールドスイッチS(M8)をオンすることで、光信号電圧は第2の画素アンプ(M7)を通して光信号用ホールド容量(CS)に一括転送される。   At time (t17), the sample hold control signal TS is changed from the low level to the high level, and the sample hold switch S (M8) is turned on, so that the optical signal voltage passes through the second pixel amplifier (M7) and the optical signal hold capacitance ( CS).

時刻(t18)でTS信号をハイレベルからローレベルとし、サンプルホールドスイッチS(M8)をオフすることで、光信号用ホールド容量(CS)に光信号電圧に対応した光信号電荷がサンプルホールドされる。   By changing the TS signal from high level to low level at time (t18) and turning off the sample hold switch S (M8), the optical signal charge corresponding to the optical signal voltage is sampled and held in the optical signal hold capacitor (CS). The

次に時刻(t18)でリセット信号PRESをローレベルからハイレベルとし、リセットスイッチ(M2)をオンし、フローティングディフュージョン容量(Cfd)をリセット電圧(VRES)に応じた電荷でリセットする。時刻(t19)でリセット信号PRESをハイレベルからローレベルとしリセットを完了する。クランプ容量(Ccl)の第1の画素アンプ(M4)側にリセット電圧(VRES)がセットされる。   Next, at time (t18), the reset signal PRES is changed from the low level to the high level, the reset switch (M2) is turned on, and the floating diffusion capacitor (Cfd) is reset with charges according to the reset voltage (VRES). At time (t19), the reset signal PRES is changed from the high level to the low level to complete the reset. A reset voltage (VRES) is set on the first pixel amplifier (M4) side of the clamp capacitor (Ccl).

次に、時刻(t19)で、PCL信号をローレベルからハイレベルとする。これによりクランプスイッチ(M5)がオンし、クランプ容量(Ccl)の第2の画素アンプ(M7)側にクランプ電圧(VCL)がセットされる。クランプ電圧(VCL)と、リセット電圧(VRES)との差分の電圧に応じた電荷がクランプ容量(Ccl)に蓄積される。   Next, at time (t19), the PCL signal is changed from low level to high level. As a result, the clamp switch (M5) is turned on, and the clamp voltage (VCL) is set on the second pixel amplifier (M7) side of the clamp capacitor (Ccl). Charges corresponding to the voltage difference between the clamp voltage (VCL) and the reset voltage (VRES) are accumulated in the clamp capacitor (Ccl).

また、時刻(t19)において、TN信号をローレベルからハイレベルとし、サンプルホールドスイッチN(M11)をオンすることで、クランプ電圧(VCL)にセットされた時に生じたノイズ信号電圧をノイズ信号用ホールド容量(CN)に転送する。   At time (t19), the TN signal is changed from low level to high level, and the sample hold switch N (M11) is turned on, so that the noise signal voltage generated when the clamp voltage (VCL) is set is used for the noise signal. Transfer to hold capacitor (CN).

時刻(t20)で、TN信号をハイレベルからローレベルとし、サンプルホールドスイッチN(M11)をオフすることで、ノイズ信号のノイズ信号用ホールド用容量(CN)にノイズ信号電圧に対応したノイズ信号電荷がサンプルホールドされる。また、時刻(t20)においてEN信号、PCL信号をハイレベルからローレベルとし、初期駆動を終了する。初期駆動は全画素を一括して行う。   At time (t20), the TN signal is changed from the high level to the low level, and the sample hold switch N (M11) is turned off, whereby the noise signal holding capacitor (CN) for the noise signal corresponds to the noise signal voltage. The charge is sampled and held. Further, at time (t20), the EN signal and the PCL signal are changed from the high level to the low level, and the initial driving ends. Initial driving is performed for all pixels at once.

初期駆動の後、時刻(t21)にて再び蓄積開始駆動が行われ、現フレーム(Nフレーム(N:自然数))の次のフレーム(N+1フレーム)におけるフローティングディフュージョン容量(Cfd)の蓄積を開始させる。光信号およびノイズ信号の走査は画素ごとに行われる。転送スイッチS(M9)と、転送スイッチN(M12)とをオンすることにより、光信号用ホールド容量(CS)の光信号電圧と、ノイズ信号用ホールド用容量(CN)のノイズ信号電圧とが出力される。すなわち、光信号用ホールド容量(CS)の光信号電圧は、画素アンプS(M10:第3の画素アンプ)を介して、光信号出力線に転送される。また、ノイズ信号用ホールド用容量(CN)のノイズ信号電圧は、画素アンプN(M13:第4の画素アンプ)を介してノイズ信号出力線に転送される。   After the initial drive, accumulation start drive is performed again at time (t21), and accumulation of the floating diffusion capacity (Cfd) in the next frame (N + 1 frame) of the current frame (N frame (N: natural number)) is started. . The scanning of the optical signal and the noise signal is performed for each pixel. By turning on the transfer switch S (M9) and the transfer switch N (M12), the optical signal voltage of the optical signal hold capacitor (CS) and the noise signal voltage of the noise signal hold capacitor (CN) are reduced. Is output. That is, the optical signal voltage of the optical signal hold capacitor (CS) is transferred to the optical signal output line via the pixel amplifier S (M10: third pixel amplifier). Further, the noise signal voltage of the noise signal holding capacitor (CN) is transferred to the noise signal output line via the pixel amplifier N (M13: fourth pixel amplifier).

ノイズ信号出力線に転送されたノイズ信号電圧と光信号出力線に転送された光信号電圧とは、ノイズ信号出力線と光信号出力線とに接続された不図示の作動入力アンプで減算され、両者の差分が求められる。ノイズ信号電圧は、例えば、画素アンプでの熱ノイズ、1/fノイズ、温度差、プロセスのばらつきによる固定パターンノイズ(FPN)に対応するものである。作動入力アンプでの減算処理により光信号電圧から固定パターンノイズ(FPN)が除去される。   The noise signal voltage transferred to the noise signal output line and the optical signal voltage transferred to the optical signal output line are subtracted by an operation input amplifier (not shown) connected to the noise signal output line and the optical signal output line, The difference between the two is obtained. The noise signal voltage corresponds to fixed pattern noise (FPN) due to, for example, thermal noise, 1 / f noise, temperature difference, and process variation in the pixel amplifier. The fixed pattern noise (FPN) is removed from the optical signal voltage by the subtraction processing in the operation input amplifier.

現フレームのノイズ信号電圧及び光信号電圧の転送可能な期間は、サンプルホールド終了時(t20)から、光信号用ホールド容量(CS)に、次のフレームの光信号電荷が再びサンプルホールドされる(t23)までの間である。   During the transfer period of the noise signal voltage and the optical signal voltage of the current frame, the optical signal charge of the next frame is sampled and held again in the optical signal hold capacitor (CS) from the end of the sample hold (t20) ( until t23).

差動入力アンプにより減算処理されて求められた光信号は、光を照射しない条件で予め取得した光信号のFPNパターンにより、更にFPN補正が施される。   The optical signal obtained by the subtraction processing by the differential input amplifier is further subjected to FPN correction by the FPN pattern of the optical signal acquired in advance under the condition that no light is irradiated.

図1の駆動では高感度設定で画素加算も行わないため、蓄積開始駆動後は感度切り換えスイッチ(M1)、加算回路150、加算回路151をオンせず、容量(C1)および加算回路150と加算回路151の間はフローティング部のままである。しかし、容量(C1)及び加算回路150と加算回路151の間の電位を動画像の撮像前に固定することで、回路内の不定電位によって、撮像画像のバックグラウンドに発生するランダムなノイズの一部を固定化している。ランダムノイズの一部を固定化することにより、FPNパターンを取得した時のCMOS型撮像素子回路内のフローティング部の電位と、実際に動画像を取得した際のフローティング部の電位に差がないため、精度のよいFPN補正を行うことができる。   Since the pixel addition is not performed with the high sensitivity setting in the drive of FIG. 1, the sensitivity changeover switch (M1), the adder circuit 150, and the adder circuit 151 are not turned on after the accumulation start drive, and the capacitor (C1) and the adder circuit 150 are added. The floating portion remains between the circuits 151. However, by fixing the capacitance (C1) and the potential between the addition circuit 150 and the addition circuit 151 before capturing a moving image, random noise generated in the background of the captured image due to an indefinite potential in the circuit. The part is fixed. By fixing a part of the random noise, there is no difference between the potential of the floating portion in the CMOS image sensor circuit when the FPN pattern is acquired and the potential of the floating portion when the moving image is actually acquired. , Accurate FPN correction can be performed.

図6の回路において、フローティングディフュージョン容量(Cfd)の蓄積開始のタイミングは、図1の時刻(t16)または(t22)でPCL信号をローレベルにしてクランプが完了した時点である。また蓄積終了のタイミングは、時刻(t18)または(t24)でTS信号をローレベルにて光信号をサンプルホールドした時点である。光信号およびノイズ信号をサンプルホールドする初期駆動101と初期駆動102の間に、蓄積時間開始のための蓄積開始駆動または初期駆動を挿入することにより、蓄積時間を制限することができる。   In the circuit of FIG. 6, the timing for starting the accumulation of the floating diffusion capacitor (Cfd) is when the clamping is completed by setting the PCL signal to the low level at time (t16) or (t22) in FIG. Further, the accumulation end timing is the time when the optical signal is sampled and held at the low level of the TS signal at time (t18) or (t24). The storage time can be limited by inserting a storage start drive or an initial drive for starting the storage time between the initial drive 101 and the initial drive 102 for sample-holding the optical signal and the noise signal.

図1の例では時刻(t21)のタイミングで蓄積開始駆動103を挿入している。光信号のサンプルホールドの周期は時刻(t18)から時刻(t24)までであるのに対し、蓄積時間を、時刻(t16)から時刻(t18)までと同じ時間の時刻(t22)から時刻(t24)までの時間に制限される。ただし、時刻(t21)のタイミングで初期駆動を挿入する場合は、走査期間は(t20)から初期駆動が開始し光信号電荷がサンプルホールドされる前の時刻(t21)までの間に制限される。要求する蓄積時間とサンプル周期が同じ場合は時刻(t21)から時刻(t22)までの蓄積開始駆動を挿入せず、時刻(t21)から初期駆動を開始させる。   In the example of FIG. 1, the storage start drive 103 is inserted at the timing of time (t21). The optical signal sample and hold period is from time (t18) to time (t24), while the accumulation time is the same time from time (t16) to time (t18) to time (t24). ) Is limited to the time until. However, when the initial drive is inserted at the timing of time (t21), the scanning period is limited from (t20) to the time (t21) before the initial drive starts and the optical signal charge is sampled and held. . When the requested accumulation time and the sample period are the same, the accumulation start drive from time (t21) to time (t22) is not inserted, and the initial drive is started from time (t21).

(低感度モード、画素加算無し)
次に、画素回路の感度の設定を低くし、ダイナミックレンジを拡張させた場合の画素回路の動作モード(低感度モード(高ダイナミックレンジモード))を説明する。画素加算は行わないものとする。WIDE信号以外は図1に示したタイミングチャートと同様の駆動タイミングで動作するので、図1との相違点を、図1と図6を用いて説明する。時刻(t14)でWIDE信号をローレベルからハイレベルにし、感度切り換えスイッチ(M1)をオンする。これによりフローティングディフュージョン容量(Cfd)と容量(C1)とが並列に接続され、フローティングノード部の容量が増え、感度が低下する代わりにダイナミックレンジが拡張される。WIDE信号は図1の時刻(t14)でローレベルからハイレベルになった後、撮像が終了するまでハイレベルのままである。これにより、撮像中は常に感度が低いがダイナミックレンジが拡張された状態となる。感度を低くした時は、加算回路150と加算回路151の間がフローティング部となる。しかしながら、動画像の撮像前に、撮像手段による撮像前のタイミングで電源の所定の電圧で画素回路内のフローティング部の不定の電位を固定することで、ノイズ成分を低減することが可能になる。
(Low sensitivity mode, no pixel addition)
Next, an operation mode (low sensitivity mode (high dynamic range mode)) of the pixel circuit when the sensitivity setting of the pixel circuit is lowered and the dynamic range is expanded will be described. It is assumed that pixel addition is not performed. Since operations other than the WIDE signal are performed at the same drive timing as the timing chart shown in FIG. 1, differences from FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 1 and 6. At time (t14), the WIDE signal is changed from low level to high level, and the sensitivity changeover switch (M1) is turned on. As a result, the floating diffusion capacitor (Cfd) and the capacitor (C1) are connected in parallel, the capacity of the floating node portion increases, and the dynamic range is expanded instead of decreasing the sensitivity. The WIDE signal stays at the high level until imaging is completed after it changes from the low level to the high level at time (t14) in FIG. As a result, the sensitivity is always low during imaging, but the dynamic range is expanded. When the sensitivity is lowered, the floating portion is between the addition circuit 150 and the addition circuit 151. However, before capturing a moving image, it is possible to reduce the noise component by fixing the indefinite potential of the floating portion in the pixel circuit with a predetermined voltage of the power supply at a timing before imaging by the imaging unit.

(高感度モード、画素加算有り)
次に、画素加算の例として、2×2の画素加算を例にして説明する。感度は高感度モードであるとする。2×2の画素加算の例において、ADD信号以外は図1に示したタイミングチャートと同様であるので、図1との相違点を、図1と図6、図8を用いて説明する。時刻(t20)において、撮像制御部201は、TN信号をハイレベルからローレベルにして、サンプルホールドスイッチN(M11)をオフにして、ノイズ信号成分のノイズ信号用ホールド容量(CN)への蓄積が終了する。その後、ADD信号をハイレベルにし、加算回路150および加算回路151をオンする。このとき図8(b)のADD信号ラインに接続されたMOSトランジスタも全てオンする。これにより、時刻(t18)において光信号用ホールド容量(CS)へ蓄積が終了した光信号とともに、ノイズ信号用ホールド容量(CN)へ蓄積が終了したノイズ信号について、2×2の画素加算が行われる。撮像制御部201は、ADD信号を、時刻(t23)においてハイレベルからローレベルにする。光信号とノイズ信号の走査期間は隣り合う2×2の画素が画素加算状態となる。
(High sensitivity mode, with pixel addition)
Next, as an example of pixel addition, 2 × 2 pixel addition will be described as an example. The sensitivity is assumed to be a high sensitivity mode. Since an example of 2 × 2 pixel addition is the same as the timing chart shown in FIG. 1 except for the ADD signal, differences from FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 1, 6, and 8. At time (t20), the imaging control unit 201 changes the TN signal from the high level to the low level, turns off the sample hold switch N (M11), and accumulates the noise signal component in the noise signal hold capacitor (CN). Ends. Thereafter, the ADD signal is set to high level, and the addition circuit 150 and the addition circuit 151 are turned on. At this time, all the MOS transistors connected to the ADD signal line in FIG. 8B are also turned on. As a result, 2 × 2 pixel addition is performed for the noise signal that has been accumulated in the noise signal hold capacitor (CN) together with the optical signal that has been accumulated in the optical signal hold capacitor (CS) at time (t18). Is called. The imaging control unit 201 changes the ADD signal from the high level to the low level at time (t23). In the scanning period of the optical signal and the noise signal, adjacent 2 × 2 pixels are in the pixel addition state.

図7のタイミングチャートに従って高感度モードにおける2×2の画素加を行う場合、容量(C1)、図8(b)の4×4の画素加算、8×8の画素加算に用いる加算回路がフローティング部となる。しかしながら、図1のタイミングチャートに従って動画像の撮像前に、電位固定駆動を行うことにより画素回路内のフローティング部の不定の電位を固定し、ノイズ成分を低減することが可能になる。   When performing 2 × 2 pixel addition in the high sensitivity mode in accordance with the timing chart of FIG. 7, the addition circuit used for the capacitance (C1), 4 × 4 pixel addition and 8 × 8 pixel addition of FIG. 8B is floating. Part. However, it is possible to fix the indefinite potential of the floating portion in the pixel circuit and reduce the noise component by performing the potential fixing drive before capturing the moving image according to the timing chart of FIG.

同様に、4×4の画素加算を行なう場合、撮像制御部201は、時刻(t20)においてADD信号、ADD1信号をローレベルからハイレベルにし、ADD信号ライン、ADD1信号ラインに接続されたMOSトランジスタも全てオンする。これにより、時刻(t18)において光信号用ホールド容量(CS)へ蓄積が終了した光信号とともに、ノイズ信号用ホールド容量(CN)へ蓄積が終了したノイズ信号について、4×4の画素加算が行われる。時刻(t23)において、撮像制御部201は、ADD信号、ADD1信号をハイレベルからローレベルとする。図7のタイミングチャートに従って高感度モードにおける4×4の画素加算を行う場合、容量(C1)および、図8(b)の8×8の画素加算回路がフローティング部となる。しかしながら、図1のタイミングチャートに従って動画像の撮像前に、電位固定駆動を行うことにより画素回路内のフローティング部の不定の電位を固定し、ノイズ成分を低減することが可能になる。   Similarly, when 4 × 4 pixel addition is performed, the imaging control unit 201 changes the ADD signal and ADD1 signal from low level to high level at time (t20), and the MOS transistors connected to the ADD signal line and ADD1 signal line. Also turn on all. As a result, 4 × 4 pixel addition is performed for the noise signal that has been accumulated in the noise signal hold capacitor (CN) together with the optical signal that has been accumulated in the optical signal hold capacitor (CS) at time (t18). Is called. At time (t23), the imaging control unit 201 changes the ADD signal and the ADD1 signal from high level to low level. When performing 4 × 4 pixel addition in the high sensitivity mode in accordance with the timing chart of FIG. 7, the capacitor (C1) and the 8 × 8 pixel addition circuit of FIG. However, it is possible to fix the indefinite potential of the floating portion in the pixel circuit and reduce the noise component by performing the potential fixing drive before capturing the moving image according to the timing chart of FIG.

同様に8×8で画素加算を行なう場合、時刻(t20)において撮像制御部201は、ADD信号、ADD1信号、ADD2信号をローレベルからハイレベルにする。ADD信号ライン、ADD1信号ライン、およびADD2信号ラインに接続されたMOSトランジスタも全てオンする。これにより、時刻(t18)において光信号用ホールド容量(CS)へ蓄積が終了した光信号とともに、ノイズ信号用ホールド容量(CN)へ蓄積が終了したノイズ信号について、8×8の画素加算が行われる。撮像制御部201は、時刻(t23)においてADD信号ライン、ADD1信号ライン、およびADD2信号をハイレベルからローレベルとする。図7のタイミングチャートに従って高感度モードにおける8×8の画素加算では、容量(C1)がフローティング部となる。しかしながら、図1のタイミングチャートに従って動画像の撮像前に、電位固定駆動を行うことにより画素回路内のフローティング部の不定の電位を固定し、ノイズ成分を低減することが可能になる。さらにFPN補正も精度よく行なうことが可能になる。   Similarly, when pixel addition is performed at 8 × 8, the imaging control unit 201 changes the ADD signal, ADD1 signal, and ADD2 signal from low level to high level at time (t20). All MOS transistors connected to the ADD signal line, the ADD1 signal line, and the ADD2 signal line are also turned on. As a result, 8 × 8 pixel addition is performed on the optical signal that has been accumulated in the optical signal hold capacitor (CS) at time (t18) and the noise signal that has been accumulated in the noise signal hold capacitor (CN). Is called. The imaging control unit 201 changes the ADD signal line, the ADD1 signal line, and the ADD2 signal from high level to low level at time (t23). In the 8 × 8 pixel addition in the high sensitivity mode according to the timing chart of FIG. 7, the capacitor (C1) becomes the floating portion. However, it is possible to fix the indefinite potential of the floating portion in the pixel circuit and reduce the noise component by performing the potential fixing drive before capturing the moving image according to the timing chart of FIG. Furthermore, FPN correction can be performed with high accuracy.

高感度モードにおいては、容量(C1)がフローティング部となるが、感度を低くする場合、撮像制御部201はWIDE信号をローレベルからハイレベルにし、感度切り換えスイッチ(M1)をオンする。これによりフローティングディフュージョン容量(Cfd)と容量(C1)とが並列に接続され、フローティングノード部の容量が増え、感度が低下する代わりにダイナミックレンジが拡張される。感度を低くして、2×2、4×4、8×8の画素加算を行なう場合は、容量(C1)はフローティング部にならない。   In the high sensitivity mode, the capacitance (C1) becomes a floating part, but when the sensitivity is lowered, the imaging control unit 201 changes the WIDE signal from low level to high level and turns on the sensitivity changeover switch (M1). As a result, the floating diffusion capacitor (Cfd) and the capacitor (C1) are connected in parallel, the capacity of the floating node portion increases, and the dynamic range is expanded instead of decreasing the sensitivity. When the sensitivity is lowered and 2 × 2, 4 × 4, and 8 × 8 pixel addition is performed, the capacitor (C1) does not become a floating portion.

感度を低くして2×2の画素加算を行う場合、4×4の画素加算、8×8の画素加算に用いる加算回路がフローティング部となる。感度を低くして4×4の画素加算を行う場合、8×8の画素加算に用いる加算回路がフローティング部となる。これらの場合にも、動画像の撮像前に、電位固定駆動(図1)を行うことにより画素回路内のフローティング部の不定の電位を固定し、ノイズ成分を低減することが可能になる。さらにFPN補正も精度よく行なうことが可能になる。   When 2 × 2 pixel addition is performed with low sensitivity, an addition circuit used for 4 × 4 pixel addition and 8 × 8 pixel addition becomes a floating portion. When 4 × 4 pixel addition is performed with low sensitivity, an addition circuit used for 8 × 8 pixel addition becomes a floating portion. Also in these cases, it is possible to fix the indefinite potential of the floating portion in the pixel circuit and reduce the noise component by performing the potential fixing drive (FIG. 1) before capturing the moving image. Furthermore, FPN correction can be performed with high accuracy.

尚、電位固定駆動においてEN信号、TS信号、PRES信号、PCL信号、TN信号、WIDE信号、ADD信号、ADD1信号、ADD2信号をローレベルからハイレベルにしている。全てのフローティング部を安定した電位にするという目的を達成できれば、各信号のローレベルからハイレベルになるタイミング、ハイレベルからローレベルになるタイミングを変えてもよい。例えば、電位固定駆動におけるEN信号、TS信号、PRES信号、PCL信号、TN信号を初期駆動と同じ駆動パターンとなるように各信号のローレベルになるタイミング、ハイレベルになるタイミングを変えてもよい。また、一つの信号に対して、ハイレベルからローレベルの変換を繰り返し行ってもよい。   In the potential fixing drive, the EN signal, TS signal, PRES signal, PCL signal, TN signal, WIDE signal, ADD signal, ADD1 signal, and ADD2 signal are changed from low level to high level. As long as the object of making all the floating portions have stable potentials can be achieved, the timing at which each signal changes from low level to high level and the timing from high level to low level may be changed. For example, the EN signal, TS signal, PRES signal, PCL signal, and TN signal in the fixed potential drive may be changed to the low level timing and the high level timing of each signal so as to have the same drive pattern as the initial drive. . Further, high-level to low-level conversion may be repeatedly performed on one signal.

また、図1に示した蓄積開始駆動と初期駆動とは異なる駆動パターンであるが、必ずしもこの例に限らず、例えば、蓄積開始駆動は初期駆動と同様の駆動パターンで行うことも可能である。これにより駆動パターンを一つ実装するのみでよくなり、実装の簡易化につながる。また、(t21)からの蓄積開始駆動および(t23)からの初期駆動を行わなくてもよい。これにより1フレームのみの撮像も可能である。   In addition, the accumulation start drive and the initial drive shown in FIG. 1 have different drive patterns. However, the drive pattern is not necessarily limited to this example. For example, the accumulation start drive can be performed with the same drive pattern as the initial drive. As a result, only one drive pattern needs to be mounted, leading to simplification of mounting. Further, the accumulation start drive from (t21) and the initial drive from (t23) may not be performed. Thereby, it is possible to capture only one frame.

本実施形態によれば、撮像部による撮像前のタイミングで電源の所定の電圧で画素回路内のフローティング部の不定の電位を固定し、ノイズ成分を低減し、固定パターンノイズの補正を精度良く行うことが可能になる。   According to the present embodiment, the indefinite potential of the floating part in the pixel circuit is fixed at a predetermined voltage of the power supply at the timing before imaging by the imaging unit, the noise component is reduced, and the fixed pattern noise is accurately corrected. It becomes possible.

(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態にかかるCMOS撮像素子の駆動制御を図2のタイミングチャートの参照により説明する。図2は、図1と同様に、図6および図8に示すCMOS型撮像素子の1画素分の画素回路において、動画撮像時の1枚目から2枚目の撮像を行う際の駆動波形のタイミングチャートを示している。画素回路の設定は、高感度で、画素加算なしである。図2の駆動をCMOS型撮像素子内にて全画素一括で行う。
(Second Embodiment)
Next, drive control of the CMOS image sensor according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the timing chart of FIG. FIG. 2 shows the driving waveform when the first to second images are taken at the time of moving image pick-up in the pixel circuit for one pixel of the CMOS type image pickup device shown in FIGS. A timing chart is shown. The pixel circuit is set with high sensitivity and no pixel addition. The driving shown in FIG. 2 is performed for all pixels in a CMOS image sensor.

図2のタイミングチャートは、図1のタイミングチャートと比較して、電位固定駆動に動画撮像開始1枚目の蓄積開始駆動を含めたところに差異がある。以下、図2を時系列に説明する。すべてのフローティング部をそれぞれ安定した電位(固定電位)にするための駆動(電位固定駆動)を行うことは、第1実施形態と同様である。時刻(t25)において、EN信号、TS信号、PRES信号、PCL信号、TN信号、WIDE信号をローレベルからハイレベルにする。これによりリセットスイッチ(M2)、クランプスイッチ(M5)、サンプルホールドスイッチS(M8)、サンプルホールドスイッチN(M11)、感度切り換えスイッチ(M1)、選択スイッチ1(M3)、選択スイッチ2(M6)がオンする。図6において、画素回路の入力側から転送スイッチS(M9)、転送スイッチN(M12)までの出力側の全ての部分にそれぞれ安定した電位が印加される。   The timing chart of FIG. 2 is different from the timing chart of FIG. 1 in that the potential fixing drive includes the first accumulation start drive for moving image imaging start. Hereinafter, FIG. 2 will be described in time series. As in the first embodiment, the driving (potential fixing driving) for making all the floating portions each have a stable potential (fixed potential) is performed. At time (t25), the EN signal, TS signal, PRES signal, PCL signal, TN signal, and WIDE signal are changed from low level to high level. Accordingly, the reset switch (M2), clamp switch (M5), sample hold switch S (M8), sample hold switch N (M11), sensitivity changeover switch (M1), selection switch 1 (M3), selection switch 2 (M6) Turns on. In FIG. 6, stable potentials are respectively applied to all portions on the output side from the input side of the pixel circuit to the transfer switch S (M9) and the transfer switch N (M12).

CMOS型撮像素子内の全ての電位が固定されてから、時刻(t26)において、TS信号、PCL信号、TN信号、WIDE信号をハイレベルからローレベルとする。選択スイッチ1(M3)およびリセットスイッチ(M2)をオンした状態にしておき、時刻(t26)から蓄積開始駆動を開始させる。   After all the potentials in the CMOS image sensor are fixed, at time (t26), the TS signal, the PCL signal, the TN signal, and the WIDE signal are changed from the high level to the low level. The selection switch 1 (M3) and the reset switch (M2) are turned on, and the accumulation start drive is started from time (t26).

時刻(t26)において、ADD信号、ADD1信号、ADD2信号をローレベルからハイレベルとし、図8(b)に示す画素加算回路の電位を固定する。   At time (t26), the ADD signal, ADD1 signal, and ADD2 signal are changed from low level to high level, and the potential of the pixel addition circuit shown in FIG. 8B is fixed.

時刻(t27)において、PRES信号をハイレベルからローレベルにしてリセットを終了し、クランプ容量(Ccl)の第1の画素アンプ(M4)側にリセット電圧(VRES)がセットされる。時刻(t27)において、PCL信号をローレベルからハイレベルにすることにより、クランプスイッチ(M5)をオンし、クランプ容量(Ccl)の第2の画素アンプ(M7)側にクランプ電圧(VCL)がセットされる。クランプ電圧(VCL)と、リセット電圧(VRES)との差分の電圧に応じた電荷がクランプ容量(Ccl)に蓄積されクランプが終了する。   At time (t27), the PRES signal is changed from the high level to the low level to complete the reset, and the reset voltage (VRES) is set on the first pixel amplifier (M4) side of the clamp capacitor (Ccl). At time (t27), the clamp switch (M5) is turned on by changing the PCL signal from the low level to the high level, and the clamp voltage (VCL) is applied to the second pixel amplifier (M7) side of the clamp capacitor (Ccl). Set. The electric charge corresponding to the voltage difference between the clamp voltage (VCL) and the reset voltage (VRES) is accumulated in the clamp capacitor (Ccl), and the clamp is finished.

時刻(t28)において、EN信号、PCL信号、ADD信号、ADD1信号、ADD2信号がハイレベルからローレベルになり、電位固定駆動および蓄積開始駆動を組み合わせた動作が終了する。時刻(t28)において、ADD信号、ADD1信号、ADD2信号は、EN信号、PCL信号と同時にハイレベルからローレベルに制御されている。この場合、図8(b)に示す画素加算回路と、クランプ容量(Ccl)およびフローティングディフュージョン容量(Cfd)とは、TS信号およびTN信号をハイレベルにしない限り電気的に切断されており、このような駆動をさせても問題ない。   At time (t28), the EN signal, the PCL signal, the ADD signal, the ADD1 signal, and the ADD2 signal change from the high level to the low level, and the combined operation of the potential fixing drive and the accumulation start drive ends. At time (t28), the ADD signal, ADD1 signal, and ADD2 signal are controlled from the high level to the low level simultaneously with the EN signal and the PCL signal. In this case, the pixel addition circuit shown in FIG. 8B and the clamp capacitor (Ccl) and the floating diffusion capacitor (Cfd) are electrically disconnected unless the TS signal and the TN signal are set to the high level. There is no problem even if such driving is performed.

時刻(t28)以降は、第1実施形態における図1の時刻(t13)以降と同様の駆動パターンで動作を行う。   After time (t28), the operation is performed with the same drive pattern as that after time (t13) in FIG. 1 in the first embodiment.

電位固定駆動および蓄積開始駆動を組み合わせて画素回路を動作させることにより、電位固定駆動が終了したと同時に、蓄積開始駆動を行うことができる。このため、光電変換素子が電位固定駆動を開始してから一枚目の画像を取得までに要する時間を短縮することが可能になる。   By operating the pixel circuit by combining the fixed potential drive and the accumulation start drive, the accumulation start drive can be performed at the same time as the potential fixed drive is completed. For this reason, it is possible to reduce the time required for acquiring the first image after the photoelectric conversion element starts the potential fixing drive.

本実施形態によれば、撮像部による撮像前のタイミングで電源の所定の電圧で画素回路内のフローティング部の不定の電位を固定し、ノイズ成分を低減し、固定パターンノイズの補正を精度良く行うことが可能になる。   According to the present embodiment, the indefinite potential of the floating part in the pixel circuit is fixed at a predetermined voltage of the power supply at the timing before imaging by the imaging unit, the noise component is reduced, and the fixed pattern noise is accurately corrected. It becomes possible.

(第3実施形態)
本発明の第3実施形態にかかる放射線撮像装置の概略的な構成を図3に示す。放射線撮像装置204内の全てのCMOS型撮像素子202(画素回路)は撮像制御部201に接続されており、撮像制御部201からの制御信号によりそれぞれのCMOS型撮像素子202(画素回路)は制御される。放射線撮像装置204は時刻を計測するタイマー205(計時ユニット)を有する。撮像制御部201は、電位固定駆動を行わせるためにCMOS型撮像素子202(画素回路)へ制御信号を送信した時刻を、撮像制御部201に接続されているメモリ203に記憶する。
(Third embodiment)
FIG. 3 shows a schematic configuration of a radiation imaging apparatus according to the third embodiment of the present invention. All CMOS image sensors 202 (pixel circuits) in the radiation imaging apparatus 204 are connected to the imaging control unit 201, and each CMOS image sensor 202 (pixel circuit) is controlled by a control signal from the imaging control unit 201. Is done. The radiation imaging apparatus 204 has a timer 205 (timer unit) that measures time. The imaging control unit 201 stores the time at which the control signal is transmitted to the CMOS type imaging device 202 (pixel circuit) in order to perform fixed potential driving in the memory 203 connected to the imaging control unit 201.

放射線撮像装置204に電源を投入後、第1の設定による駆動により動画像取得を行ったあと、すぐに第2の設定に変更して動画像取得を行うとする。放射線撮像装置204に電源を投入後、最初に動画像を取得する場合は、CMOS型撮像素子202(画素回路)内の各フローティング部の電位差は不定となり、フローティング部の電位が安定するまでの時間は、必然的に長くなる。しかし、動画像を撮像した後に動画像を再撮像する場合は、一度、電位固定駆動を行っているために、フローティング部の電位を固定化するまでの時間は短くなり、場合によっては電位固定駆動を行わなくてもよい場合がある。電位固定駆動を行うか、行わないか、もしくはどの程度の時間、電位固定駆動を行うのがよいのかは、前回の電位固定駆動を行ってから、どの程度時間が経過したかに依存する。   It is assumed that after the power is turned on to the radiation imaging apparatus 204, the moving image is acquired by driving according to the first setting, and then the moving image is acquired by changing to the second setting immediately. When a moving image is acquired for the first time after the radiation imaging apparatus 204 is turned on, the potential difference between the floating portions in the CMOS image sensor 202 (pixel circuit) becomes indefinite, and the time until the potential of the floating portion becomes stable is obtained. Will inevitably be longer. However, when recapturing a moving image after capturing a moving image, since the potential is fixed once, the time until the potential of the floating portion is fixed is shortened. May not be necessary. Whether to perform the fixed potential drive or not, or for how long it should be performed depends on how much time has elapsed since the previous fixed potential drive.

第1の撮像により動画像を撮像した後に、第2の撮像により動画像を再撮像する際に、撮像制御部201は、現在の時刻とメモリ203に記憶されている時刻とを比較して、電位固定駆動を行った前回の時刻からの経過時間を算出する。電位固定駆動を制御するための基準となる閾値時間は、例えば、事前にメモリ203に記憶しておくことが可能である。あるいは、不図示の操作入力部を介して閾値時間を設定することも可能である。撮像制御部201は、閾値時間(TH)と、算出した経過時間(TE)とを比較して、比較結果に従って電位固定駆動を制御することが可能である。   When the moving image is captured by the second imaging after the first image is captured, the imaging control unit 201 compares the current time with the time stored in the memory 203, and The elapsed time from the previous time when the fixed potential drive was performed is calculated. A threshold time serving as a reference for controlling the potential fixing drive can be stored in the memory 203 in advance, for example. Alternatively, the threshold time can be set via an operation input unit (not shown). The imaging control unit 201 can compare the threshold time (TH) with the calculated elapsed time (TE) and control the potential fixing drive according to the comparison result.

例えば、経過時間が閾値時間以内の場合(TE≦TH)、撮像制御部201は電位固定駆動を行わないように制御することが可能である。一方、経過時間(TE)が閾値時間(TH)を超える場合(TE>TH)、撮像制御部201は、電位固定駆動を行なうように制御することが可能である。撮像制御部201は画素回路を構成するスイッチ部910、蓄積部920、除去部930及び保持部940を動作させて、スイッチ部910を介して接続される電源の所定の電圧に応じた電位を、蓄積部920、除去部930及び保持部940に設定する。   For example, when the elapsed time is within the threshold time (TE ≦ TH), the imaging control unit 201 can perform control so as not to perform the fixed potential drive. On the other hand, when the elapsed time (TE) exceeds the threshold time (TH) (TE> TH), the imaging control unit 201 can perform control such that the potential is fixed. The imaging control unit 201 operates the switch unit 910, the storage unit 920, the removal unit 930, and the holding unit 940 that configure the pixel circuit, and sets a potential corresponding to a predetermined voltage of a power source connected via the switch unit 910. The storage unit 920, the removal unit 930, and the holding unit 940 are set.

閾値時間は、動画像の撮像環境や撮像条件に応じて、一つ、あるいは二つ以上(TH1、TH2:TH1<TH2)を用いることが可能である。この場合、撮像制御部201は経過時間(TE)と、第1の閾値時間(TH1)および第2の閾値時間(TH2)とを比較して、比較結果に従って電位固定駆動を制御することが可能である。例えば、経過時間(TE)が第1の閾値時間(TH1)以内の場合(TE≦TH1)、撮像制御部201は電位固定駆動を行わないように制御することが可能である。一方、経過時間(TE)が第1の閾値時間(TH1)を超え、第2の閾値時間(TH2)以内の場合(TH1<TE≦TH2)、撮像制御部201は、第1の電位固定時間(TC1)において電位固定駆動を行なうように制御することが可能である。更に、経過時間(TE)が第2の閾値時間(TH2)を超える場合、撮像制御部201は、第1の電位固定時間(TC1)よりも長い第2の電位固定時間(TC2)において電位固定駆動を行なうように制御することが可能である。上述の例では、複数の閾値時間の例として第1の閾値時間(TH1)、第2の閾値時間(TH2)を用いる例を示したが、本発明の趣旨はこの例に限定されるものではない。例えば、撮像制御部201は、経過時間(TE)と、N(自然数)個の閾値時間を用いて、多段的に電位固定駆動を制御することが可能である。   As the threshold time, one or two or more (TH1, TH2: TH1 <TH2) can be used according to the imaging environment of the moving image and the imaging conditions. In this case, the imaging control unit 201 compares the elapsed time (TE) with the first threshold time (TH1) and the second threshold time (TH2), and can control the potential fixing drive according to the comparison result. It is. For example, when the elapsed time (TE) is within the first threshold time (TH1) (TE ≦ TH1), the imaging control unit 201 can perform control so as not to perform the fixed potential drive. On the other hand, when the elapsed time (TE) exceeds the first threshold time (TH1) and is within the second threshold time (TH2) (TH1 <TE ≦ TH2), the imaging control unit 201 performs the first potential fixing time. In (TC1), it is possible to perform control so as to perform fixed potential driving. Further, when the elapsed time (TE) exceeds the second threshold time (TH2), the imaging control unit 201 fixes the potential in the second potential fixing time (TC2) longer than the first potential fixing time (TC1). It is possible to control to drive. In the above-described example, an example in which the first threshold time (TH1) and the second threshold time (TH2) are used as an example of a plurality of threshold times is shown. However, the gist of the present invention is not limited to this example. Absent. For example, the imaging control unit 201 can control the potential fixing drive in multiple stages using the elapsed time (TE) and N (natural number) threshold times.

経過時間と閾値時間との比較結果に応じて、電位固定駆動の時間を変化させる。これによって、一度、動画撮像を行い、続いて再撮像時を行う場合の放射線曝射可能までの電位固定駆動による時間ロスを少なくすることができる。   In accordance with the comparison result between the elapsed time and the threshold time, the time of the fixed potential driving is changed. As a result, it is possible to reduce the time loss due to the potential fixing drive until the radiation exposure is possible when the moving image is captured once and then the re-imaging is performed.

また、制御信号が送信された時刻を記憶するメモリ203を用いずに、撮像制御部201に電位固定駆動を行うとリセットされるカウンタを用意する方法でもよい。撮像制御部201はカウンタの値を参照して電位固定駆動を制御することも可能である。   Alternatively, a method of preparing a counter that is reset when the imaging control unit 201 performs a fixed potential drive without using the memory 203 that stores the time at which the control signal is transmitted may be used. The imaging control unit 201 can also control the potential fixing drive with reference to the counter value.

(第4実施形態)
本発明の第4実施形態にかかる放射線撮像装置の概略的な構成を図4に示す。放射線撮像装置204は、装置の動作を制御するシステム制御部206、放射線画像表示部207、X線管209と接続するX線発生装置208を有する。放射線撮像装置204内の全てのCMOS型撮像素子202(画素回路)は撮像制御部201に接続されており、撮像制御部201からの制御信号によりそれぞれのCMOS型撮像素子202(画素回路)は制御される。
(Fourth embodiment)
FIG. 4 shows a schematic configuration of a radiation imaging apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. The radiation imaging apparatus 204 includes a system control unit 206 that controls the operation of the apparatus, a radiation image display unit 207, and an X-ray generation device 208 that is connected to the X-ray tube 209. All CMOS image sensors 202 (pixel circuits) in the radiation imaging apparatus 204 are connected to the imaging control unit 201, and each CMOS image sensor 202 (pixel circuit) is controlled by a control signal from the imaging control unit 201. Is done.

システム制御部206は画像処理機能を有しており、CMOS型撮像素子202(画素回路)で撮像された画像を処理して放射線画像表示部207へ出力する。撮像時において、システム制御部206により、放射線撮像装置204とX線発生装置208とが同期制御される。被写体を透過した放射線は不図示のシンチレータにより可視光に変換される。その後、光量に応じた光電変換が放射線撮像装置204のCMOS型撮像素子202で行われる。光電変換後、A/D変換が行われ、X線照射に対応したフレーム画像データが放射線撮像装置204からシステム制御部206に転送される。システム制御部206の画像処理機能により、画像処理が行われた後、放射線画像表示部207に放射線画像がリアルタイムに表示される。ここで、システム制御部206は放射線撮像装置204の撮像制御部201とコマンドによる通信を行う。撮像制御部201はシステム制御部206から送信されたコマンドによりCMOS型撮像素子202の電源の制御や駆動の設定を行う。駆動の設定とは、感度、画素加算、フレームレート、放射線の蓄積時間の設定である。   The system control unit 206 has an image processing function, processes an image captured by the CMOS image sensor 202 (pixel circuit), and outputs the processed image to the radiation image display unit 207. At the time of imaging, the system controller 206 controls the radiation imaging apparatus 204 and the X-ray generation apparatus 208 synchronously. The radiation that has passed through the subject is converted into visible light by a scintillator (not shown). Thereafter, photoelectric conversion corresponding to the amount of light is performed by the CMOS image sensor 202 of the radiation imaging apparatus 204. After photoelectric conversion, A / D conversion is performed, and frame image data corresponding to X-ray irradiation is transferred from the radiation imaging apparatus 204 to the system control unit 206. After the image processing is performed by the image processing function of the system control unit 206, the radiation image is displayed on the radiation image display unit 207 in real time. Here, the system control unit 206 communicates with the imaging control unit 201 of the radiation imaging apparatus 204 by a command. The imaging control unit 201 controls the power supply of the CMOS type image sensor 202 and sets the drive according to the command transmitted from the system control unit 206. The drive setting is a setting of sensitivity, pixel addition, frame rate, and radiation accumulation time.

図5は第4実施形態にかかる放射線撮像装置204における撮像制御部201の駆動手順の流れを示す図である。図5に従い、処理の流れを説明する。撮像制御部201は、外部のシステム制御部206と有線または無線による通信を行なうための通信機能を有する。まず、システム制御部206は放射線撮像装置204の初期設定を行うコマンドを撮像制御部201に送信する(c1)。次に、システム制御部206は、CMOS型撮像素子202(画素回路)を駆動するための設定コマンドを撮像制御部201に送信する(c2)。ここで、設定コマンドを受信した撮像制御部201は感度、画素加算、フレームレート、放射線の蓄積時間の設定を行なう。続いて、システム制御部206は、CMOS型撮像素子202の電源を投入するコマンドを撮像制御部201に送信する(c3)。ステップ(c3)でシステム制御部206から送信されたコマンドを撮像制御部201が受信すると、撮像制御部201はCMOS型撮像素子202の電源を投入し、さらに電位固定駆動を開始させる。ここで、ステップ(c2)およびステップ(c3)は順番が逆でもよい。続いて、システム制御部206は、撮像を開始するコマンドを撮像制御部201に送信する(c4)。ステップ(c4)で送信されたコマンドを撮像制御部201が受信すると、撮像制御部201はCMOS型撮像素子202に対して、電位固定駆動を終了させ、撮像駆動を開始させる。撮像駆動とは、図1の時刻(t13)から開始される駆動を示す。その後、システム制御部206は、撮像の終了タイミングで、撮像終了のコマンドを撮像制御部201に送信する(c5)。ステップ(c5)で送信されたコマンドを撮像制御部201が受信すると、撮像制御部201はCMOS型撮像素子202に対して、撮像駆動を終了させる。   FIG. 5 is a diagram illustrating a flow of a driving procedure of the imaging control unit 201 in the radiation imaging apparatus 204 according to the fourth embodiment. The processing flow will be described with reference to FIG. The imaging control unit 201 has a communication function for performing wired or wireless communication with the external system control unit 206. First, the system control unit 206 transmits a command for initial setting of the radiation imaging apparatus 204 to the imaging control unit 201 (c1). Next, the system control unit 206 transmits a setting command for driving the CMOS image sensor 202 (pixel circuit) to the imaging control unit 201 (c2). Here, the imaging control unit 201 that has received the setting command sets sensitivity, pixel addition, frame rate, and radiation accumulation time. Subsequently, the system control unit 206 transmits a command for turning on the power of the CMOS image sensor 202 to the imaging control unit 201 (c3). When the imaging control unit 201 receives the command transmitted from the system control unit 206 in step (c3), the imaging control unit 201 turns on the power of the CMOS type image sensor 202 and further starts the potential fixing drive. Here, the order of step (c2) and step (c3) may be reversed. Subsequently, the system control unit 206 transmits a command to start imaging to the imaging control unit 201 (c4). When the imaging control unit 201 receives the command transmitted in step (c4), the imaging control unit 201 ends the potential fixing drive and starts the imaging drive for the CMOS image sensor 202. The imaging drive indicates a drive that starts from time (t13) in FIG. Thereafter, the system control unit 206 transmits an imaging end command to the imaging control unit 201 at the imaging end timing (c5). When the imaging control unit 201 receives the command transmitted in step (c5), the imaging control unit 201 causes the CMOS image sensor 202 to finish imaging driving.

次の撮像がある場合、システム制御部206は、再び駆動の設定を行うコマンドを撮像制御部201に送信し(c6)、撮像制御部201における感度、画素加算、フレームレート、放射線の蓄積時間の再設定を行う。ステップ(c6)で送信されたコマンドを撮像制御部201が受信すると、撮像制御部201はCMOS型撮像素子に対して、電位固定駆動を開始させる。そして、システム制御部206は、撮像開始コマンドを撮像制御部201に送信し(c7)、CMOS型撮像素子の撮像駆動を開始させる。撮像を終了する場合、先のステップ(c5)と同様に、システム制御部206は、撮像の終了タイミングで、撮像終了のコマンドを撮像制御部201に送信する。送信された撮像終了のコマンドを撮像制御部201が受信すると、撮像制御部201はCMOS型撮像素子202に対して、撮像駆動を終了させる。   When there is next imaging, the system control unit 206 transmits a command for setting driving again to the imaging control unit 201 (c6), and the sensitivity, pixel addition, frame rate, and radiation accumulation time in the imaging control unit 201 are transmitted. Perform resetting. When the imaging control unit 201 receives the command transmitted in step (c6), the imaging control unit 201 causes the CMOS image sensor to start a fixed potential drive. Then, the system control unit 206 transmits an imaging start command to the imaging control unit 201 (c7), and starts imaging driving of the CMOS image sensor. When ending imaging, the system control unit 206 transmits an imaging end command to the imaging control unit 201 at the imaging end timing, as in the previous step (c5). When the imaging control unit 201 receives the transmitted imaging end command, the imaging control unit 201 causes the CMOS image sensor 202 to finish imaging driving.

このように、電位固定駆動は、撮像制御部201がシステム制御部206からコマンドを受信した時から開始するようにする(ステップ(c2)、(c6))。撮像を開始するコマンドを撮像制御部201が受信(ステップ(c4)、(c7))してから電位固定駆動を行う場合、電位固定駆動を動作させている時間、放射線撮像装置204は曝射許可状態にならない。このため、操作者が撮像を開始したいタイミングですぐに放射線曝射を開始することができず、操作者は電位固定駆動を見込んだ撮像開始の遅延を考慮しながら操作せねばならない。しかしながら、本実施形態によれば、撮像開始のコマンドを受信するよりも前に電位固定駆動を事前に開始することが可能になる。このため電位固定駆動に十分な時間を設けることができ、さらに操作者は電位固定駆動による撮像開始のタイミングの遅延を考慮することなく、放射線撮像装置を操作することが可能になる。   As described above, the fixed potential driving is started when the imaging control unit 201 receives a command from the system control unit 206 (steps (c2) and (c6)). When the imaging control unit 201 receives a command to start imaging (steps (c4) and (c7)) and performs the fixed potential drive, the radiation imaging apparatus 204 permits exposure during the time during which the fixed potential drive is operated. It will not be in a state. For this reason, radiation exposure cannot be started immediately at the timing at which the operator wants to start imaging, and the operator must operate while taking into account the delay in imaging start in anticipation of potential fixed drive. However, according to the present embodiment, it is possible to start the potential fixing drive in advance before receiving the imaging start command. Therefore, a sufficient time can be provided for the potential fixing drive, and the operator can operate the radiation imaging apparatus without considering the delay of the imaging start timing due to the potential fixing driving.

(その他の実施例)
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。
(Other examples)
The present invention can also be realized by executing the following processing. That is, software (program) that realizes the functions of the above-described embodiments is supplied to a system or apparatus via a network or various storage media, and a computer (or CPU, MPU, or the like) of the system or apparatus reads the program. It is a process to be executed.

Claims (10)

フォトダイオードで発生した電荷に応じた電圧を出力するための画素アンプと、前記電圧に応じた電荷を信号用ホールド容量にサンプルホールドさせるための信号用サンプルホールドスイッチと、前記画素アンプと前記フォトダイオードとの間に所定の電圧を供給するためのスイッチ手段と、各々が有する複数の画素回路が配列された撮像手段と、
前記複数の画素回路に、前記信号用ホールド容量に保持された電荷に応じた信号を出力させる撮像を複数回行うように前記複数の画素回路の動作を制御する撮像制御手段と、
時刻を計測する計時手段と、
複数回の前記撮像のうち第1の撮像を行う際に、前記スイッチ手段を動作させるために前記撮像制御手段から制御信号を送信した時刻を記憶する記憶手段と、
を備え、
前記画素回路に電圧が供給され、且つ前記撮像の前に、前記撮像制御手段は、前記画素アンプ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させて、前記所定の電圧に応じた電荷を前記信号用ホールド容量にサンプルホールドさせ、
前記第1の撮像の後に第2の撮像を行う際に、前記撮像制御手段は、前記記憶手段に記憶されている時刻から前記計時手段により求められる現在の時刻までの経過時間が閾値時間を超える場合、前記第2の撮像の前に、前記画素アンプ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させ、
前記記憶手段に記憶されている時刻から前記計時手段により求められる現在の時刻までの経過時間が閾値時間以内の場合、前記第2の撮像の前に、前記画素アンプ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させないことを特徴とする放射線撮像装置。
A pixel amplifier for outputting a voltage corresponding to the charge generated in the photodiode; a signal sample-and-hold switch for causing the signal hold capacitor to sample and hold the charge corresponding to the voltage; and the pixel amplifier and the photodiode an imaging unit in which a plurality of pixel circuits are arranged, each having a switching means for supplying a predetermined voltage, the between,
Imaging control means for controlling the operations of the plurality of pixel circuits so that the plurality of pixel circuits perform imaging a plurality of times to output a signal corresponding to the charge held in the signal hold capacitor ;
A time measuring means for measuring time;
A storage unit that stores a time at which a control signal is transmitted from the imaging control unit to operate the switch unit when performing the first imaging among the plurality of imagings;
With
A voltage is supplied to the pixel circuit, and before the imaging , the imaging control unit operates the pixel amplifier, the signal sample hold switch, and the switching unit to respond to the predetermined voltage. Sampled and held in the signal hold capacitor,
When the second imaging is performed after the first imaging, the imaging control unit causes the elapsed time from the time stored in the storage unit to the current time obtained by the timing unit to exceed a threshold time In this case, before the second imaging, the pixel amplifier, the signal sample hold switch, and the switch means are operated,
If the elapsed time from the time stored in the storage means to the current time obtained by the time measuring means is within a threshold time, before the second imaging, the pixel amplifier, the signal sample hold switch, The radiation imaging apparatus is characterized in that the switch means is not operated .
前記複数の画素回路は夫々、前記画素アンプのノイズに応じた電荷をノイズ用ホールド容量にサンプルホールドさせるためのノイズ用サンプルホールドスイッチを更に含み、
前記撮像制御手段は、前記撮像の前に、前記画素アンプ、前記ノイズ用サンプルホールドスイッチ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させて、前記所定の電圧に応じた電荷を前記ノイズ用ホールド容量、及び前記信号用ホールド容量にサンプルホールドさせることを特徴とする請求項1に記載の放射線撮像装置。
Each of the plurality of pixel circuits further includes a noise sample and hold switch for causing the noise hold capacitor to sample and hold a charge corresponding to noise of the pixel amplifier,
The image pickup control means operates the pixel amplifier, the noise sample hold switch, the signal sample hold switch, and the switch means before the image pickup, and charges corresponding to the predetermined voltage are operated. The radiation imaging apparatus according to claim 1, wherein the noise hold capacitor and the signal hold capacitor are sampled and held.
前記複数の画素回路は夫々、前記複数の画素回路のうちの所定の画素回路の前記信号用ホールド容量と前記複数の画素回路のうちの前記所定の画素回路と異なる他の画素回路の前記信号用ホールド容量とを接続するための信号用加算回路と、前記所定の画素回路の前記ノイズ用ホールド容量と前記他の画素回路の前記ノイズ用ホールド容量とを接続するためのノイズ用加算回路と、を含み、The plurality of pixel circuits are respectively for the signal hold capacitor of the predetermined pixel circuit of the plurality of pixel circuits and for the signal of another pixel circuit different from the predetermined pixel circuit of the plurality of pixel circuits. A signal adder circuit for connecting a hold capacitor; and a noise adder circuit for connecting the noise hold capacitor of the predetermined pixel circuit and the noise hold capacitor of the other pixel circuit; Including
前記所定の画素回路の前記信号用加算回路と前記他の画素回路の前記信号用加算回路とが接続されており、  The signal adding circuit of the predetermined pixel circuit and the signal adding circuit of the other pixel circuit are connected;
前記所定の画素回路の前記ノイズ用加算回路と前記他の画素回路の前記ノイズ用加算回路とが接続されており、  The noise adding circuit of the predetermined pixel circuit and the noise adding circuit of the other pixel circuit are connected;
前記撮像制御手段は、前記撮像の前に、前記画素アンプ、前記ノイズ用サンプルホールドスイッチ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、前記信号用加算回路、前記ノイズ用加算回路、及び、前記スイッチ手段を動作させることを特徴とする請求項2に記載の放射線撮像装置。  The imaging control means operates the pixel amplifier, the noise sample hold switch, the signal sample hold switch, the signal addition circuit, the noise addition circuit, and the switch means before the imaging. The radiation imaging apparatus according to claim 2.
前記複数の画素回路は夫々、前記フォトダイオードで発生した電荷を蓄積するための電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部で蓄積されている前記電荷に応じた電圧を出力するための他の画素アンプと、前記電荷蓄積部にリセット電圧を供給するためのリセットスイッチと、前記他の画素アンプと前記スイッチ手段との間及び前記画素アンプと前記スイッチ手段との間に設けられたクランプ容量と、を更に含み、
前記撮像制御手段は、前記撮像の前に、前記画素アンプ、前記ノイズ用サンプルホールドスイッチ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、前記信号用加算回路、前記ノイズ用加算回路、前記他の画素アンプ、前記リセットスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させることを特徴とする請求項に記載の放射線撮像装置。
Each of the plurality of pixel circuits includes a charge accumulation unit for accumulating charges generated in the photodiode, and another pixel amplifier for outputting a voltage corresponding to the charges accumulated in the charge accumulation unit. A reset switch for supplying a reset voltage to the charge storage section, and a clamp capacitor provided between the other pixel amplifier and the switch means and between the pixel amplifier and the switch means, Including
The imaging control means includes the pixel amplifier, the noise sample hold switch, the signal sample hold switch, the signal addition circuit, the noise addition circuit, the other pixel amplifier, the reset, before the imaging. The radiation imaging apparatus according to claim 3 , wherein the switch and the switch unit are operated .
前記複数の画素回路は夫々、前記電荷蓄積部とダイナミックレンジ拡大用容量とを接続するための感度切り替えスイッチを更に含み、
前記撮像制御手段は、前記撮像の前に、前記画素アンプ、前記ノイズ用サンプルホールドスイッチ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、前記信号用加算回路、前記ノイズ用加算回路、前記他の画素アンプ、前記リセットスイッチ、前記感度切り替えスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させることを特徴とする請求項4に記載の放射線撮像装置。
Each of the plurality of pixel circuits further includes a sensitivity changeover switch for connecting the charge storage unit and a dynamic range expansion capacitor,
The imaging control means includes the pixel amplifier, the noise sample hold switch, the signal sample hold switch, the signal addition circuit, the noise addition circuit, the other pixel amplifier, the reset, before the imaging. The radiation imaging apparatus according to claim 4 , wherein the switch, the sensitivity changeover switch, and the switch unit are operated .
前記複数の画素回路は夫々、前記画素アンプを動作させるための選択スイッチと、前記他の画素アンプを動作させるための他の選択スイッチと、を更に含み、
前記撮像制御手段は、前記撮像の前に、前記選択スイッチ、前記ノイズ用サンプルホールドスイッチ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、前記信号用加算回路、前記ノイズ用加算回路、前記他の選択スイッチ、前記リセットスイッチ、前記感度切り替えスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させることを特徴とする請求項に記載の放射線撮像装置。
Each of the plurality of pixel circuits further includes a selection switch for operating the pixel amplifier, and another selection switch for operating the other pixel amplifier,
The imaging control means includes the selection switch, the noise sample hold switch, the signal sample hold switch, the signal addition circuit, the noise addition circuit, the other selection switch, and the reset before the imaging. The radiation imaging apparatus according to claim 5 , wherein the switch, the sensitivity changeover switch, and the switch unit are operated .
前記記憶手段は、前記第1の撮像を行う際に、前記選択スイッチ、前記ノイズ用サンプルホールドスイッチ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、前記信号用加算回路、前記ノイズ用加算回路、前記他の選択スイッチ、前記リセットスイッチ、前記感度切り替えスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させるために前記撮像制御手段から制御信号を送信した時刻を記憶し、
前記第2の撮像を行う際に、前記撮像制御手段は、
前記記憶手段に記憶されている時刻から、前記計時手段により求められる現在の時刻までの経過時間が閾値時間を超える場合、前記選択スイッチ、前記ノイズ用サンプルホールドスイッチ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、前記信号用加算回路、前記ノイズ用加算回路、前記他の選択スイッチ、前記リセットスイッチ、前記感度切り替えスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させ、
前記記憶手段に記憶されている時刻から現在の時刻までの経過時間が閾値時間以内の場合、前記選択スイッチ、前記ノイズ用サンプルホールドスイッチ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、前記信号用加算回路、前記ノイズ用加算回路、前記他の選択スイッチ、前記リセットスイッチ、前記感度切り替えスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させないことを特徴とする請求項6に記載の放射線撮像装置。
The storage means, when performing the first imaging, the selection switch, the noise sample hold switch, the signal sample hold switch, the signal addition circuit, the noise addition circuit, the other selection switch Storing the time when the control signal is transmitted from the imaging control means to operate the reset switch, the sensitivity changeover switch, and the switch means;
When performing the second imaging, the imaging control means
When the elapsed time from the time stored in the storage means to the current time obtained by the time measuring means exceeds a threshold time, the selection switch, the noise sample hold switch, the signal sample hold switch, Operating the signal addition circuit, the noise addition circuit, the other selection switch, the reset switch, the sensitivity changeover switch, and the switch means,
When the elapsed time from the time stored in the storage means to the current time is within a threshold time, the selection switch, the noise sample hold switch, the signal sample hold switch, the signal addition circuit, the noise The radiation imaging apparatus according to claim 6 , wherein the adder circuit, the other selection switch, the reset switch, the sensitivity changeover switch, and the switch unit are not operated .
前記撮像制御手段は、放射線撮像装置の動作を制御するシステム制御部と通信する通信手段を有し、
前記撮像制御手段は、前記システム制御部から送信された前記画素回路の電源を投入するコマンドの受信により、前記選択スイッチ、前記ノイズ用サンプルホールドスイッチ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、前記信号用加算回路、前記ノイズ用加算回路、前記他の選択スイッチ、前記リセットスイッチ、前記感度切り替えスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させる
ことを特徴とする請求項7に記載の放射線撮像装置。
The imaging control unit includes a communication unit that communicates with a system control unit that controls the operation of the radiation imaging apparatus,
The imaging control means receives the command for turning on the power of the pixel circuit transmitted from the system control unit, and receives the selection switch, the noise sample hold switch, the signal sample hold switch, and the signal addition circuit. The radiation imaging apparatus according to claim 7 , wherein the noise addition circuit, the other selection switch, the reset switch, the sensitivity changeover switch, and the switch unit are operated .
前記撮像制御手段は、前記システム制御部から送信された、前記画素回路を駆動するための設定コマンドの受信により、前記選択スイッチ、前記ノイズ用サンプルホールドスイッチ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、前記信号用加算回路、前記ノイズ用加算回路、前記他の選択スイッチ、前記リセットスイッチ、前記感度切り替えスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させることを特徴とする請求項8に記載の放射線撮像装 The imaging control means receives the setting command transmitted from the system control unit for driving the pixel circuit, and selects the selection switch, the noise sample hold switch, the signal sample hold switch, and the signal summing circuit, the noise addition circuit, the other selection switch, the reset switch, the sensitivity changeover switch, and a radiation imaging equipment according to claim 8, characterized in that for operating the switch means. 前記複数の画素回路は夫々、前記信号用ホールド容量にサンプルホールドされた電荷に応じた電圧を出力する第3の画素アンプと、前記ノイズ用ホールド容量にサンプルホールドされた電荷に応じた電圧を出力する第4の画素アンプと、を更に含むことを特徴とする請求項9に記載の放射線撮像装置。Each of the plurality of pixel circuits outputs a voltage corresponding to the charge sampled and held in the noise hold capacitor, and a third pixel amplifier that outputs a voltage corresponding to the charge sampled and held in the signal hold capacitor. The radiation imaging apparatus according to claim 9, further comprising a fourth pixel amplifier.
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